KR101283144B1 - 배기가스 응축수 제어방법 및 이를 적용한 배기가스재순환시스템 - Google Patents

배기가스 응축수 제어방법 및 이를 적용한 배기가스재순환시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LP-EGR타입이나 HP-EGR+LP-EGR타입 EGR시스템으로부터 모델링 대상을 선정하고, 상기 모델링 대상에서 배기가스통과질량(Na)과 배기가스 유속온도/압력(Tout,Pout)/절대습도/상대습도(Ha1,Hr1)/수증기분압(Sp1)과 함께 혼합기유량 온도/질량(Mt,Mm)과 혼합기 절대습도/상대습도(Ha2,Hr2)/수증기분압(Sp2/포화수증기압(Hp2)등과 같은 제어인자를 뽑아 상대습도예측값(K2)을 산출한 다음, 상기 상대습도예측값(K2)과 함께 상기 EGR시스템의 상대습도 허용한계값(K1)과 상대습도현재값(K3)으로 상대습도목표값(K5)을 산출한 후, 상기 상대습도목표값(K5)을 보상해준 적용제어값(Cad)으로 혼합관로(8)의 흡입공기유량과 LP-EGR밸브(5)의 개도량과 부스트압력을 피드백(FeedBack)제어하여 EGR시스템의 응축수 발생을 근본적으로 차단해줌으로써, 응축수로 인한 EGR시스템의 부식 위험성 방지는 물론, 특히 터보차져(9)와 인터쿨러(11)에 대한 부식 위험성 방지로 HP-EGR 대비 우수한 LP-EGR타입 EGR시스템의 실차 적용성을 크게 높일 수 있는 특징을 갖는다.

Description

배기가스 응축수 제어방법 및 이를 적용한 배기가스재순환시스템{Exhaust Gas Humidity Control Method and Exhaust Gas Recirculation System thereof}
본 발명은 배기가스를 엔진으로 재순환시키는 시스템인 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템에 관한 것으로, 특히 EGR라인을 흐르는 배기가스로 인한 응축수 발생 가능성을 차단함으로써 EGR시스템 구성요소를 부식 위험성으로부터 안전하게 보호할 수 있는 배기가스 응축수 제어방법 및 이를 적용한 배기가스재순환시스템에 관한 것이다.
일반적으로 배기가스재순환시스템인 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템이 적용되면, 엔진에서 나와 외부로 배출되는 배기가스로 터보차저(Turbo Charger)를 돌려 엔진으로 공급되는 흡입공기가 압축되고 동시에 배기가스의 일부가 다시 엔진으로 공급됨으로써 엔진성능을 향상할 수 있게 된다.
상기와 같은 EGR시스템은 터보차저의 앞쪽에서 배기가스(또는 EGR가스라 칭함)를 뽑아 쓰는 고압방식인 HP(High Pressure)-EGR 타입과, 터보차저의 뒤쪽에서 배기가스를 뽑아 쓰는 저압방식인 LP(Low Pressure)-EGR 타입으로 분류될 수 있다.
통상, EGR시스템은 HP-EGR과 LP-EGR이 함께 구성되어 차량에 적용되어진다.
상기 HP-EGR은 배기매니폴드를 빠져나와 터보차져로 흘러가는 배기가스 중 일부를 빼내어 흡기매니폴드로 직접 공급시켜주는 방식인데 반해, LP-EGR은 배기매니폴드를 빠져나와 터보차져를 거친 후 촉매필터인 DPF를 지난 배기가스중 일부 배기가스를 터보차저의 압축기(Compressor)전단으로 보내준 다음 흡입공기와 함께 흡기매니폴드로 흘려주는 방식이다.
이로 인해, HP-EGR과 달리 LP-EGR은 저압/저온이면서 DPF를 통해 오염물질을 거른 비교적 깨끗한 배기가스를 사용함으로써 질소산화물의 발생 자체를 저감할 수 있으며, 또한 터보차저의 압축기 전단으로 배기가스가 공급됨으로써 배기가스 분배성도 크게 개선될 수 있게 된다.
특히, HP-EGR 없이 LP-EGR으로 만 EGR 시스템이 구성될 경우 모든 배기가스가 터보차저에서 이용될 수 있어 터보차저 효율을 크게 높여 줄 수 있게 된다.
하지만, EGR시스템은 상기와 같은 다양한 장점이 있는데 반해 EGR밸브와 EGR쿨러 및 터보차저와 인터쿨러등을 필수구성으로 요구함으로써 엔진룸 구성이 복잡해 질 수밖에 없게 된다.
상기 필수 구성 요소중 특히, 흡입공기 압축을 위한 터보차저와 혼합기 과급온도 저하를 위한 인터쿨러는 그 기능상 배기가스 상변화를 일으킬 수밖에 없고, 이러한 배기가스의 상변화는 응축수 발생의 한 원인으로 작용될 수밖에 없다.
EGR시스템에서 발생된 응축수는 부식의 위험성이 있는 터보차저와 인터쿨러로 모여지게 되고, 이로 인해 특히 터보차저의 컴프레서부위와 인터쿨러의 출구부위에서는 부식이 더욱 가속될 수밖에 없게 된다.
상기와 같은 터보차저와 인터쿨러의 부식가속은 HP-EGR과 달리 터보차저와 인터쿨러를 필수적으로 적용하는 LP-EGR타입 EGR시스템에 더욱 불리하게 작용되고, 이로 인해 LP-EGR타입 EGR시스템의 실차 적용성을 크게 저하시키는 한 원인이 될 수밖에 없다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 엔진에서 배출되어 외기와 섞여 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템을 흐르는 배기가스의 상대습도값을 엔진과 EGR시스템 구동상태에 맞추어 산출하고, 산출된 상대습도값을 제어변수로 하여 EGR시스템 구성요소들을 피드백(FeedBack)제어해줌으로써, 배기가스에 포함된 수분으로 인한 응축수 발생 가능성을 근본적으로 차단할 수 있는 배기가스 응축수 제어방법 및 이를 적용한 배기가스재순환시스템을 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기가스 응축수 제어방법은 엔진에서 배출된 후 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템을 흐르는 배기가스와 외부에서 빨아들인 흡입공기가 섞인 혼합기로부터 배기가스의 상대습도 허용한계값(K1)을 설정하고, 상기 엔진과 상기 EGR시스템의 가동상태로부터 상대습도현재값(K3)을 검출하는 조건설정단계;
상기 EGR시스템에서 배기라인에 설치된 필터의 후단으로부터 배기가스를 분기시키는 분기구간과, 분기된 상기 배기가스의 흐름을 연속시키는 라인흐름구간과, 상기 배기가스를 외부로부터 유입되는 흡입공기와 함께 섞여지는 혼합기를 형성해주는 혼합구간을 모델링 대상으로 하고, 상기 모델링 대상으로부터 상기 배기가스와 상기 혼합기에 대한 질량값과 온도값 및 압력값을 예측인자로 산출하는 습도예측단계;
상기 EGR시스템에서 상기 필터의 후단으로부터 분기된 배기가스의 흐름을 연속시키는 라인흐름구간과, 상기 혼합기의 흐름을 상기 엔진의 흡기매니폴드로 연속시키는 연속라인흐름구간을 또 다른 모델링 대상으로 하고, 상기 모델링 대상으로부터 상기 배기가스와 상기 혼합기에 대한 습도값과 수증기값을 제거인자로 산출한 다음, 상기 예측인자와 함께 상기 제거인자를 이용하여 상기 EGR시스템을 흐르는 배기가스의 상대습도예측값(K2)을 산출하는 습도제거단계;
상기 상대습도 허용한계값(K1)과 상기 상대습도현재값(K3) 및 상기 상대습도예측값(K2)의 관계로부터 상기 EGR시스템에 대한 상대습도목표값(K5)을 결정하고 그 값을 + 와 - 로 정의한 다음, 상기 상대습도목표값(K5) = + 일 때 기 설정되어진 베이스 맵(base Map)의 매치를 통한 흡기유량제어로 상기 EGR시스템을 제어하는 EGR제어로직을 실행하는 반면, 상기 상대습도목표값(K5) = - 일 때 상기 모델링대상에 구비된 제어요소들을 상대습도목표값(K5) = + 로 전환될 때까지 피드백제어하는 확장로직을 실행하는 습도제거실행단계;
상기 엔진의 구동이 정지되면, 상기 조건설정단계로 복귀되도록 초기화되는 제어대기모드단계;
를 포함해 수행되는 것을 특징으로 한다.
상기 분기구간에는 이상기체와 등엔트로피 및 단열가역과정 조건이 적용되고, 상기 라인흐름구간에는 등압력과 대류열전달 조건과 함께 완전연소에 의한 연료수증기 발생조건이 적용되며, 상기 혼합구간에는 열역학상태 균일과 벽면열전달/질량이동차단 및 이상기체와 에너지일정 조건이 적용되고, 상기 연속라인흐름구간에는 외부로부터 유입되는 흡입공기의 상대습도 불변(온도 및 압력무관)과 완전연소에 의한 연료수증기 발생조건이 적용되고, 상기 조건을 적용한 상태에서 상기 예측인자와 상기 제거인자들이 도출되어진다.
상기 예측인자는 상기 EGR라인쪽으로 분기되어 흐르는 배기가스통과질량(Na)과, 상기 EGR라인을 흘러가는 배기가스 유속온도/압력(Tout,Pout)과, 상기 배기가스통과질량(Na)이 외부로부터 흡입되는 흡입공기와 섞인 혼합기가 흡기매니폴드로 흘러가는 혼합기유량온도(Mt)와 혼합기질량(Mm)이고;
상기 제거인자는 상기 EGR라인을 흐르는 배기가스로부터 배기가스 절대습도(Ha1)와 상대습도(Hr1) 및 배기가스 수증기분압(Sp1)을 산출하고, 외부로부터 흡입되는 흡입공기와 상기 배기가스가 함께 섞인 혼합기 절대습도(Ha2)와 상대습도(Hr2) 및 수증기분압(Sp2)과 포화수증기압(Hp2);인 것을 특징으로 한다.
상기 배기가스통과질량(Na)은 이론통과유량(Nai)에 입구압력Pf과 출구압력Pa을 고려한 노즐의 전체유량면적 중 노즐 유효유량면적(EFA, Effective Flow Area)을 적용한 보상인자(Nac)를 곱한 값으로 정의되어진다.
상기 상대습도목표값(K5)은 상기 상대습도예측값(K2)에서 상기 상대습도현재값(K3)을 뺀 차이값인 상대습도제어값(K4)을 산출하고, 상기 상대습도허용한계값(K1)에서 상기 상대습도제어값(K4)을 뺀 차이값에 따라 상대습도목표값(K5) = + 와 상대습도목표값(K5) = - 로 정의되어진다.
상기 상대습도목표값(K5)은 상기 배기가스와 상기 흡입공기를 압축하는 구성요소의 입구온도변화선도 및 회전수를 근거한 보상 맵을 적용해 산출된 제어보상값(Wc)과, 상기 제어보상값(Wc)을 근거로 0 - 1 사이로 선정된 보상팩터(CF)와, 상기 보상팩터(CF)에 엔진회전수 커브선도의 조정(Calibration)된 해당값(Crpm)을 곱해 산출된 최종보상값(CFf)과, 상기 최종 보상값(CFf)에 상기 베이스 맵(Base Map)의 매치관계를 이용해 산출된 적용제어값(Cad)으로 세분되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 보상팩터(CF)는 램(Ramp)함수를 이용해 결정되고, 보상팩터(CF) = 0은 상대습도목표값(K5)이하일 때 이고 보상팩터(CF) = 1은 상대습도목표값(K5)초과일 때로 정의되어진다.
상기 확장로직의 모델링대상에 구비된 제어요소는 상기 배기라인으로부터 상기 배기가스를 분기시켜주는 구성요소와, 상기 배기가스에 섞여 혼합기를 형성하도록 외부에서 흡입공기를 유입하는 구성요소와, 부스트압력을 형성하는 구성요소이고, 상기 구성요소는 각각 개별적으로 제어되는 개별제어방식이나 또는 모두를 하나의 제어단위로 묶어 서로 협조제어하는 협조제어방식으로 제어되어진다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 배기가스재순환시스템은 터보차져의 터빈과 연결되고 엔진의 배기매니폴드에 연결된 배기라인에서 분기되어 배기가스를 유입하는 LP-EGR라인과;
상기 터보차져의 전단에서 상기 LP-EGR라인과 연통되고, 외부로부터 흡입되는 흡입공기를 상기 LP-EGR라인을 빠져나온 배기가스와 섞어 상기 터보차져로 보내주는 혼합관로와;
상기 혼합관로에서 이어져 상기 엔진의 흡기매니폴드로 연결된 흡기인테이크와;
베이스맵(Base Map)의 매치를 통한 흡입공기유량제어로 상기 LP-EGR라인에 설치된 LP-EGR밸브와 LP-EGR쿨러 및 상기 흡기인테이크에 구비된 인터쿨러를 제어하는 EGR제어로직과, 상기 LP-EGR라인과 혼합관로 및 흡기인테이크내 응축수 제거를 위해 상기 LP-EGR라인에 설치된 LP-EGR밸브와 LP-EGR쿨러 및 상기 흡기인테이크에 구비된 인터쿨러를 제어하는 습도제어로직을 함께 갖춘 ECU;
를 포함해 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 습도제어로직에서 요구되는 상대습도허용한계값(K1)은 상기 EGR시스템을 흐르는 배기가스와 외부에서 빨아들인 흡입공기가 섞인 혼합기로부터 산출하고;
상대습도예측값(K2)은 상기 LP-EGR밸브의 배기가스통과질량(Na)과, 상기 LP-EGR쿨러의 유속온도/압력(Tout,Pout)과 절대습도/상대습도(Ha1,Hr1) 및 수증기분압(Sp1)과, 상기 혼합관로의 혼합기유량온도(Mt)/혼합기질량(Mm)과, 상기 인터쿨러의 절대습도/상대습도(Ha2,Hr2)와 수증기분압(Sp2) 및 포화수증기압(Hp2)등의 측정값을 인자로 하여 산출하며;
상대습도현재값(K3)은 상기 LP-EGR밸브에서 상기 EGR라인쪽으로 유입되어 상기 LP-EGR쿨러를 통과하는 배기가스로부터 산출하는 한편;
상기 습도제어로직에서 실행되는 확장로직의 제어목표는 빨아들이는 흡입공기량이 제어되는 상기 혼합관로와, LP-EGR라인으로 분기되는 배기가스유량이 밸브개도량으로 제어되는 상기 LP-EGR밸브와, 상기 엔진과 상기 EGR시스템 구동에 의해 변화되는 부스트압력인 것을 특징으로 한다.
상기 제어목표는 각각 개별적으로 제어되는 개별제어방식이나 또는 모두를 하나의 제어단위로 묶어 서로 협조제어하는 협조제어방식으로 제어되어진다.
상기 ECU에는 상기 습도제어로직을 실행하는 ETK ECU가 더 포함되고, 상기 ETK ECU는 상기 LP-EGR밸브의 개도량과 상기 혼합관로 흡기유량과 부스트압력제어를 위해 통신케이블(ETK Interface Cable)로 연결되어 구성되어진다.
상기 LP-EGR밸브와 상기 LP-EGR쿨러사이에서 상기 LP-EGR라인에 구비된 비상필터를 더 포함하고, 상기 LP-EGR밸브에 설치되어 배기가스의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 혼합관로에 설치되어 배기가스와 흡입공기내 습도를 검출하는 습도센서를 더 포함하여 구성되어진다.
상기 배기매니폴드에서 분기되어 상기 흡기매니폴드로 연결되어진 HP-EGR라인과, 상기 HP-EGR라인의 배기가스 흐름방향을 상기 배기매니폴드에서 상기 흡기매니폴드로 형성하는 HP-EGR밸브와 HP-EGR쿨러를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이러한 본 발명은 배기가스재순환시스템인 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템의 응축수 발생원인인 배기가스의 습도를 근본적으로 제거하여 구성요소를 부식 위험성으로부터 벗어나도록 하고, 특히 응축수로 인한 부식 위험성이 높은 터보차저와 인터쿨러의 안전성을 확보해 LP-EGR타입 EGR시스템의 실차 적용성이 크게 높아지는 효과가 있게 된다.
또한, 본 발명은 배기가스로 인한 응축수 발생 여부를 엔진과 EGR시스템 구동상태에 맞추어 실시간으로 모니터링함으로써 미래 상황에 대한 예측제어가 수행될 수 있는 효과도 있게 된다.
또한, 본 발명은 습도센서소자 없이 배기가스로 인한 응축수 발생 여부를 판단하고 응축수 발생을 차단하므로, 습도센서소자 적용시에 비해 비용을 절감할 수 있는 효과도 있게 된다.
또한, 본 발명은 엔진 제어용 ECU의 로직을 인터럽트(Interrupt)하여 부가 기능을 구현하는 ETK ECU를 이용하여 배기가스 습도 제어로직을 실행하므로 ECU 로직개발에 따른 비용 최소화는 물론 ECU의 이용성 및 범용성도 크게 높여주는 효과도 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 배기가스재순환시스템인 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템을 흐르는 배기가스의 응축수 발생을 차단하기 위한 배기가스 응축수 제어방법 흐름도이고, 도 2는 본 발명에 따른 제어인자들에 대한 정의와 단위 테이블이며, 도 3은 본 발명에 따라 배기가스의 습도예측을 위한 예측제어인자를 도출하는 순서도이며, 도 4는 도 3을 적용하기 위한 LP-EGR 타입 EGR 시스템 구성도이고, 도 5는 본 발명에 따라 배기가스의 습도 제거를 위한 제거제어인자를 도출하는 순서도이며, 도 6은 도 5를 적용하기 위한 LP-EGR + HP-EGR 타입 EGR시스템 구성도이고, 도 7과 도 8은 본 발명에 적용된 확장로직을 이용해 EGR시스템의 응축수 발생을 차단하는 제어 순서도이며, 도 9는 본 발명에 따른 배기가스 습도 제어방법을 적용한 LP-EGR타입 EGR시스템의 구성도이고, 도 10은 본 발명에 따른 배기가스 습도 제어방법을 적용한 LP-EGR + HP-EGR 타입 EGR시스템의 구성도이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 배기가스재순환시스템인 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템을 흐르는 배기가스 응축수 제어방법 흐름도를 나타낸다.
도시된 바와 같이 엔진구동(단계S1)시 단계S2와 단계S3을 통해 엔진회전수(RPM)와 부하가 순차적으로 측정되고, 이를 근거로 구동중인 엔진의 현재 상태를 파악하여 준다.
본 실시예에서 상기 부하는 연료로드에 의해 발생되는 부하를 의미한다.
구동중인 엔진의 현재 상태가 검출되면, 단계S4과 같이 가동중인 EGR시스템의 EGR라인으로 흐르는 배기가스내 수분함유정도를 측정하고, 측정된 수분함유정도에 따라 응축수 발생이 방지되면서 허용될 수 있는 상대습도허용한계값(K1)을 설정하여 준다.
상기 상대습도허용한계값(K1)은 엔진에서 배출된 후 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템을 흐르는 배기가스와 외부에서 빨아들인 흡입공기가 섞인 혼합기로부터 산출되어진다.
단계S4a는 상기 상대습도허용한계값(K1)이 여러 값으로 세분화됨을 나타내며, 이러한 세분화 정도는 엔진사양 및 EGR시스템 사양에 따라 적절히 선택될 수 있다.
상기와 같이 설정된 상대습도허용한계값(K1)은 로직 맵(Logic Map)에 저장되는데, 상기 로직 맵은 별도의 콘트롤러를 이용하거나 또는 엔진 제어용 ECU를 이용할 수 있지만 본 실시예에서는 ECU를 이용하여 저장한다.
상기와 같이 엔진이 구동되고 EGR시스템 가동상태에서 배기가스에 대한 상대습도허용한계값(K1)이 산출되고 나면, 단계S5와 같이 이후 단계에서는 습도제어로직이 실행됨으로써 EGR라인을 흐르는 배기가스로 인한 응축수 발생을 근본적으로 차단하게 된다.
상기 습도제어로직을 실행하기 위한 전제조건은 배기가스의 상대습도가 100% 이상일 때로 가정하는데, 상기 상대습도는 EGR시스템의 구성요소로서 혼합기(배기가스+흡입공기)가 통과되는 인터쿨러의 후단에서 측정되거나 또는 산출되어진다.
상기 습도제어로직은 HP-EGR타입 EGR시스템이나 또는 LP-EGR타입 EGR시스템이나 또는 HP-EGR+LP-EGR타입 EGR시스템에 모두 적용되는 범용성을 갖는다.
상기 습도제어로직은 습도예측을 위한 로직과 습도제거를 위한 로직과 EGR시스템을 제어하기 위한 제어값 산출로직과 함께 배기가스로 인한 응축수 발생을 방지하기 위한 실행로직으로 이루어진다.
단계S10은 습도예측로직으로서, 상기 습도예측로직을 실행함으로써 단계S10a과 같이 배기가스의 상대습도를 예측하기 위한 예측인자(W)를 도출하게 된다.
상기 예측인자(W)는 EGR시스템의 구성요소에 대한 모델링(Modeling)을 통해 산출되어진다.
상기 예측인자(W)의 도출을 위한 모델링 대상은 다양하게 선정될 수 있지만, 본 실시예에서는 EGR시스템을 구성하는 EGR라인을 흐르는 배기가스통과질량(Na)과, EGR라인을 흘러가는 배기가스 유속온도(Tout)/압력(Pout)과, 외부에서 유입되는 흡입공기와 함께 배기가스가 섞여 흡기매니폴드로 공급되는 혼합기 유량 온도(Mt)/질량(Mm)을 얻을 수 있는 대상으로 선정되고, 상기 Na, Tout, Pou, Mt,Mm는 예측인자(W)로서 도출된 후 로직 맵에 저장되어진다.
단계S20은 예측인자(W)가 도출된 후 실행되는 배기가스의 습도제거를 위한 습도제거로직으로서, 상기 습도제거로직을 실행함으로써 단계S20a와 같이 예측인자(W)를 이용해 제거인자(Va,Vb)가 새롭게 도출되어진다.
상기 제거인자(Va,Vb)는 EGR시스템의 구성요소에 대한 모델링(Modeling)을 통해 산출되어진다.
상기 제거인자(Va,Vb)의 도출을 위한 모델링 대상은 다양하게 선정될 수 있지만, 본 실시예에서는 EGR시스템을 구성하는 EGR라인을 흐르는 배기가스 절대습도(Ha1)/상대습도(Hr1)/수증기분압(Sp1)과, EGR라인을 거쳐 흡기매니폴드로 흐르는 혼합기 절대습도(Ha2)/상대습도(Hr2)/수증기분압(Sp2)/포화수증기압(Hp2)을 얻을 수 있는 대상으로 선정되고, 상기 Ha1,Hr1,Sp1,,Ha2,Hr2,Sp2,Hp2는 제거인자(Va,Vb)로서 도출된 후 로직 맵에 저장되어진다.
상기 예측인자(W)와 제거인자(Va,Vb)로부터 EGR시스템을 흐르는 배기가스의 상대습도예측값(K2)이 산출되어진다.
본 실시예에서 상기 예측인자로 산출하는 과정을 습도예측단계로 정의하고, 상기 제거인자를 이용하여 상기 EGR시스템을 흐르는 배기가스의 상대습도예측값(K2)을 산출하는 과정을 습도제거단계로 정의하며, 상기 습도예측단계와 상기 습도제거단계는 습도인자산출단계로 칭한다.
단계S30은 EGR시스템을 제어하기 위한 제어값을 상기 예측인자(W)와 상기 제거인자(Va,Vb)를 이용해 산출하기 위한 제어값산출로직으로서, 상기 제어값산출로직이 실행됨으로써 EGR시스템의 구성요소 제어시 적용되는 제어값을 산출할 수 있게 된다.
단계S34는 상기 제어값이 상대습도목표값(K5)임을 의미하며, 상기 상대습도목표값(K5)은 기 산출된 상대습도허용한계값(K1)과 상대습도예측값(K2)을 이용해 산출되어진다.
단계S35는 상대습도목표값(K5) = +로 구분됨을 나타내고 단계S36은 상대습도목표값(K5) = -로 구분됨을 나타내는데, 이와 같이 본 실시예에서는 상기 상대습도목표값(K5)을 2가지 타입으로 구분함으로써 적용되는 실행로직을 각각 달리하여 준다.
상기 실행로직은 단계S40의 EGR제어로직과 단계S50의 확장로직이며, 단계S40에서 실행되는 EGR제어로직은 ECU에 기 설정되어진 베이스맵(base Map)의 매치를 통해 구현되는 흡기유량제어인 반면, 단계S50에서 실행되는 확장로직은 본 실시예에 따른 배기가스 습도제어로직에 따라 특화된 방식의 EGR시스템 제어이다.
즉, 상기 EGR제어로직은 EGR시스템을 운영하기 위한 필수적으로 구현되는 근본적인 기본로직(Base Logic)인 반면, 상기 확장로직은 EGR시스템의 구성요소들중 일부 구성요소가 제어목표로 선택되어 상대습도목표값(K5) = - 상태를 벗어나도록 피드백(Feedback)제어됨으로써 EGR시스템을 최적화하는 부가로직(Adbanced Logic)이다.
본 실시예에서 상기 EGR제어로직과 상기 확장로직이 실행되는 과정을 습도제거실행단계로 칭한다.
단계S70은 엔진구동이 정지된 상태로서, 엔진이 정지되면 본 실시예에 따른 모든 제어로직은 초기화되고 엔진이 다시 구동될 때를 대비해 준비상태로 전환되어진다.
본 실시예에서 엔진의 구동이 정지되어 초기화되는 과정을 제어대기모드단계로 칭한다.
이와 같이 본 실시예에서는 EGR제어로직외에 확장로직이 더 구현됨으로써 EGR라인을 흐르는 배기가스로 인한 응축수 발생을 근본적으로 방지할 수 있고, 특히 EGR시스템을 구성하는 터보차저 및 인터쿨러가 부식 위험성으로부터 안전성을 확보할 수 있게 된다.
상기 EGR제어로직과 확장로직은 별도의 콘트롤러를 이용하거나 또는 엔진 제어용 ECU를 이용해 구현될 수 있지만, 본 실시예에서는 상기 ECU의 부가기능을 구현하는 ETK ECU를 이용해 확장로직을 실행함으로써 ECU에 대한 별도의 개발비용을 최소화 할 수 있게 된다.
상기 ETK ECU는 ECU내의 로직 중 일부를 인터럽트(Interrupt)하여 ASCET라 명명된 프로그램에서 실행되는 제어로직으로서 ECU의 메인 제어영역을 벗어난 조건으로 엔진을 제어하는 기능을 총칭한다.
도 2는 본 실시예에 따른 제어인자들에 대한 의미와 적용단위를 정의한 테이블을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 본 실시예에서 인용되는 모든 제어인자들은 엔진구동과 모든 종류의 EGR시스템의 가동시 관계되고 물리/화학법칙에 따른 단위와 정의를 가짐을 알 수 있고, 본 실시예에서 언급되지 않은 제어값들은 EGR시스템 및 엔진등에 필수적으로 설치된 각 센서로부터 얻어진 측정값으로부터 산출되어진다.
도 3은 본 실시예에 따라 배기가스의 습도예측을 위한 예측인자(W)를 도출하는 순서도를 나타낸다.
단계S11과 같이 예측인자(W)의 산출을 위해 EGR시스템에 적용되는 모델링 대상은 배기가스통과질량(Na)과 배기가스 유속온도(Tout)/압력(Pout) 및 혼합기 유량의 온도(Mt)/질량(Mm)등이 산출되기 용이한 구간에 적용되어진다.
그러므로, 상기 모델링 대상은 배기라인에서 분기된 EGR라인으로 배기가스를 유입시켜주는 시점에서부터 외부에서 공급되는 흡입공기와 섞여져 흘러가는 시점까지 적용되어진다.
단계S12와 단계S13 및 단계S14는 상기 모델링 대상을 나타내는데, 단계S12는 EGR라인으로 유입되는 배기가스 유입영역을 나타내고, 단계S13은 유입된 배기가스가 흘러가는 배기가스 흐름영역을 나타내며, 단계S14은 배기가스가 외부에서 유입된 흡입공기와 함께 섞여져 흘러나가는 배기가스 혼합영역을 나타낸다.
도 4는 본 실시예에 따른 모델링 대상을 구체화시키기 위한 LP-EGR 타입 EGR시스템 구성을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 LP-EGR 타입 EGR시스템은 엔진(1)의 배기매니폴드(2)에 터보차져(9)의 터빈과 연결되고 필터(4,DPF)를 구비한 배기라인(3)이 이어지고, 상기 필터(4,DPF)의 후단에서 분기된 LP-EGR라인(6)이 터보차져(9)의 전단에서 외기를 도입하는 혼합관로(8)에 연결되고, 상기 혼합관로(8)에서 이어져 인터쿨러(11)를 구비한 흡기인테이크(10)가 엔진(1)의 흡기매니폴드(12)로 연결되어진다.
상기 LP-EGR라인(6)에는 LP-EGR밸브(5)와 LP-EGR쿨러(7)가 순차적으로 설치되어진다.
상기 LP-EGR 타입 EGR 시스템에 적용된 배기가스 유입영역은 단계S121에 적시된 EGR제어밸브[LP-EGR밸브(5)]이고, 배기가스 흐름영역은 단계S131에 적시된 EGR 쿨러[LP-EGR쿨러(7)]이며, 배기가스 혼합영역은 단계S141에 적시된 LP-EGR라인(6)과 흡기인테이크(10)가 서로 연결되어진 혼합관로(8)이다.
상기와 같이 선정된 모델링 대상인 EGR제어밸브[LP-EGR밸브(5)]와 EGR 쿨러[LP-EGR쿨러(7)] 및 혼합관로(8)는 예측인자(W)의 산출을 위한 전제조건들이 각각 다르게 설정되는데, 이러한 전제조건의 설정은 데이터 신뢰도를 저하시키지 않는 범위에서 물리 및 화학적 해석을 보다 용이하게 하기 위함이다.
본 실시예에서 EGR제어밸브[LP-EGR밸브(5)]에는 단계S122와 같이 이상기체와 등엔트로피 및 단열가역과정이라는 전제조건이 설정되고, EGR 쿨러[LP-EGR쿨러(7)]에는 단계S132와 같이 등압력과 대류열전달이라는 전제조건이 설정되며, 혼합관로(8)에는 단계S142와 같이 열역학상태 균일과 벽면열전달/질량이동차단 및 이상기체와 에너지일정이라는 전제조건이 설정되어진다.
특히, 상기 혼합관로(8)에 적용된 전제조건은 배기가스와 흡입공기의 질량 변화율 합이 터보차저의 압축기로 공급되는 유량의 질량 변화율과 동일함을 전제해줌으로써, 상기 혼합관로(8)로부터 획득되는 혼합기 유량의 온도(Mt)/질량(Mm)은 물론 흡입공기 유량(Qa)과 상대습도(Hq) 및 대기온도(Ta)등을 보다 용이하게 산출할 수 있게 된다.
상기 전제조건이 적용된 상태에서 LP-EGR라인(6)으로 공급되는 EGR제어밸브[LP-EGR밸브(5)]의 배기가스통과유량(Na)은 단계S123내지 단계S125를 통해 산출되며, 이때 상기 배기가스통과유량(Na)은 도 4와 같이 LP-EGR밸브(5)로부터 산출되므로 LP-EGR밸브(5)의 노즐(5a)을 고려한 보상값을 적용하게 된다.
이는 단계S124와 같이 배기가스통과유량(Na) = 이론통과유량(Nai) x 보상인자(Nac)이며, 상기 보상인자(Nac)는 LP-EGR밸브(5)의 입구압력Pf과 출구압력Pa을 고려한 상태에서 노즐(5a)의 전체유량면적중 노즐 유효유량면적(EFA, Effective Flow Area)을 적용하여 계산되어진다.
상기 배기가스통과유량(Na)은 단계S125와 같이 배기가스통과질량으로 정의된다.
상기 전제조건이 적용된 상태에서 EGR 쿨러[LP-EGR쿨러(7)]에서는 단계S133과 같이 배기가스통과유량(Na)이 빠져나가는 LP-EGR쿨러(7)의 후단온도(Tout)와 후단압력(Pout)이 산출되어진다.
상기 후단온도(Tout)와 상기 후단압력(Pout)는 LP-EGR쿨러(7)의 전단온도(Tin)와 전단압력(Pin)이 참조됨으로써 데이터 신뢰성을 강화시키게 된다.
상기 전제조건이 적용된 상태에서 혼합관로(8)에서는 단계S143과 같이 혼합기(배기가스+외부의 흡입공기)가 혼합관로(8)에서 섞여진 후 혼합관로(8)를 빠져나가는 혼합기온도(Mt)와 혼합기질량(Mm)이 산출되어진다.
상기 혼합관로(8)는 도 4와 같이 LP-EGR쿨러(7)를 빠져나와 LP-EGR라인(6)을 통해 유입되는 배기가스통과유량(Na)과 흡기인테이크(10)를 통해 외부에서 흡입되는 흡입공기유량(Qa)이 서로 섞어 혼합해주는 기능을 하고, 상기 혼합기를 터보차져(9)의 압축기(9b)쪽으로 내 보내주는 역할을 하게 된다.
본 실시예에서는 흡입공기유량(Qa)과 상대습도(Hq) 및 대기온도(Ta)의 측정값을 참조해 혼합기온도(Mt)와 혼합기질량(Mm)을 산출함으로써 데이터 신뢰성을 강화시키게 된다.
상기와 같이 산출된 Na, Tin, Tout, Pout,Mt, Mm들은 모두 예측인자(W)로 이용되고, 산출되어진 Na, Tin, Tout, Pout,Mt, Mm들은 단계S15와 같이 모두 로직 맵에 저장된 후 상대습도예측값(K2)을 산출하기 위한 변수로 이용되어진다.
도 5는 본 실시예에 따른 배기가스의 습도제거를 위한 제거인자를 도출하는 순서도를 나타낸다.
단계S21과 같이 제거인자(Va,Vb)의 산출을 위해 EGR시스템에 적용되는 모델링 대상은 EGR라인에서 온도변화를 가져오는 구간으로서, 이 구간에서 산출되는 배기가스와 혼합기에 대한 상태값은 기 산출된 예측인자(W)도 이용해 산출하게 된다.
상기와 같이 선정된 모델링 대상에 적용된 전제조건은 단계S23과 같이 외부로부터 유입되는 흡입공기의 상대습도 불변(온도 및 압력무관)과 완전연소에 의한 연료수증기 발생으로서, 이러한 전제조건의 설정은 데이터 신뢰도를 저하시키지 않는 범위에서 물리 및 화학적 해석을 보다 용이하게 하기 위함이다.
도 6은 도 5의 제거인자의 산출을 위한 모델링 대상을 나타낸 HP-EGR + LP-EGR 타입 EGR 시스템 구성도로서, 도시된 바와 같이 EGR시스템은 전술한 도 4의 LP-EGR 타입과 동일한 구성에 HP-EGR만 더 부가하여 구성되어진다.
이는 본 실시예에서 구현되는 응축수 제어방법이 LP-EGR 타입 EGR시스템에 국한되지 않고 HP-EGR 타입 EGR시스템에도 적용되는 확장성을 나타낸다.
상기 HP-EGR은 HP-EGR라인(22)이 엔진(1)의 배기매니폴드(2)에서 분기되어 엔진(1)의 흡기매니폴드(12)로 연결되고, 상기 배기매니폴드(2)에서 분기된 HP-EGR라인(22)에는 HP-EGR밸브(21)와 HP-EGR쿨러(20)가 설치되어진다.
상기 LP-EGR + HP-EGR타입 EGR시스템에 적용된 모델링 대상은 단계S24와 같이 EGR라인(6)을 흐르는 배기가스흐름구간과 흡기인테이크(10)를 흐르는 혼합기흐름구간이며, 도 6을 참조하면 상기 배기가스흐름구간에서는 단계S25와 같이 EGR쿨러(7)가 선정되고 상기 혼합기흐름구간에서는 단계S26과 같이 인터쿨러(11)가 선정되어진다.
단계S27은 EGR 쿨러(7)에서 산출되는 제거인자(Va)와 인터쿨러(11)에서 산출되는 제거인자(Vb)에 이용되는 기 산출된 예측인자(W)를 나타낸다.
단계S251은 상기 예측인자(W)중 EGR쿨러(7)에서 산출되는 제거인자(Va)에 이용되는 배기가스통과유량(Na)과 LP-EGR쿨러후단온도(Tout)/후단압력(Pout)을 나타내고, 단계S261은 상기 예측인자(W)중 인터쿨러(11)에서 산출되는 제거인자(Vb)에 이용되는 혼합기온도(Mt)/혼합기질량(Mm)과 LP-EGR쿨러후단온도(Tout)/후단압력(Pout)을 나타낸다.
단계S252는 단계S251을 거쳐 산출된 제거인자(Va)가 LP-EGR쿨러(7)후단의 절대습도(Ha1)와 상대습도(Hr1) 및 수증기분압(Sp1)임을 나타내고, 단계S262는 단계S261을 거쳐 산출된 제거인자(Vb)가 인터쿨러(11)후단의 절대습도(Ha2)와 상대습도(Hr2) 및 수증기분압(Sp2)과 포화수증기압(Hp2)임을 나타낸다.
상기와 같이 산출된 제거인자(Va,Vb)인 Ha1,Ha2, Hr1,Hr2, Sp1,Sp2, Hp2들은 단계S28과 같이 모두 로직 맵에 저장되고, 단계S29와 같이 상대습도예측값(K2)을 산출하기 위한 변수로 이용되어진다.
그러므로, 본 실시예에서는 응축수 발생 방지를 위한 제어값인 상대습도예측값(K2)이 예측인자(W)인 Na, Tin, Tout, Pout,Mt, Mm와 제거인자(Va,Vb)인 Ha1,Ha2, Hr1,Hr2, Sp1,Sp2, Hp2들을 이용해 이론적으로 산출될 수 있게 된다.
도 7은 본 실시예에 적용된 확장로직을 이용해 EGR시스템의 응축수 발생을 차단하는 제어 흐름도를 나타낸다.
도시된 바와 같이 단계S31에서 엔진(1)과 EGR시스템의 가동상태로부터 상대습도현재값(K3)이 검출되고, 이어 단계S32에서는 기 산출된 상대습도예측값(K2)을 불러와 EGR시스템에서 제어되어야 할 상대습도제어값(K4)을 산출하여 준다.
여기서, 상대습도제어값(K4) = 상대습도예측값(K2) - 상대습도현재값(K3)
이어, 단계S33에서는 상기 상대습도제어값(K4)을 이용하고 상대습도허용한계값(K1)을 불러와 응축수 발생 방지를 위해 EGR시스템에서 제어되어야 할 상대습도목표값(K5)을 산출하여 준다.
여기서, 상대습도목표값(K5) = 상대습도허용한계값(K1) - 상대습도제어값(K4)
상기와 같은 과정을 거쳐 단계34와 같이 상대습도목표값(K5)이 산출되면, 상기 상대습도목표값(K5)에 대해 +부호나 또는 - 부호로 정의한 후 그 결과에 따라 적용되어지는 제어로직을 다르게 선택하여 준다.
단계S35는 상대습도목표값(K5) = + 상태이고, 단계40은 이 경우 실행되는 EGR제어로직을 나타낸다.
상기 EGR제어로직은 ECU에 기 설정되어진 베이스맵(base Map)의 매치를 통해 구현되는 흡기유량제어이며, 이는 전술된 바와 같이 EGR시스템의 제어에 필수적이고 근본적인 기본로직을 의미한다.
상기 EGR제어로직이 수행된 후에 도 1의 단계S70과 같이 엔진의 정지가 확인되면, 모든 제어로직은 초기화되고 엔진의 재시동시 까지 대기모드로 전환되어진다.
반면, 단계S36은 상대습도목표값(K5) = - 상태이고, 단계S50은 이 경우 실행되는 확장로직을 나타낸다.
상기 확장로직은 EGR제어로직과 달리 본 실시예에 따른 배기가스 응축수 제어방법을 실행하는 로직으로서, 이는 전술한 바와 같이 ECU의 부가기능을 구현하는 ETK ECU를 이용해 실행되어진다.
본 실시예에서 실행되는 확장로직은 EGR시스템의 구성요소들중 일부를 제어목표로 선정하고, 상기 제어목표를 상대습도목표값(K5) = - 정도에 따라 피드백(Feedback)제어해줌으로써 상대습도목표값(K5)으로 제어목표를 최적화시켜주는 방식으로 구현되어진다.
상기 확장로직에서는 단계S51과 같이 제어보상값(Wc)이 요구되는데, 상기 제어보상값(Wc)은 단계S52와 같이 터보차져의 입구온도변화선도 및 회전수를 근거한 보상 맵을 적용해 산출되어진다.
상기 보상 맵은 엔진사양과 터보차저 사양에 따라 실험되어 획득된 자료에 의거하여 작성된 것이다.
상기와 같이 제어보상값(Wc)이 산출되면, 단계S53과 같이 산출된 제어보상값(Wc)을 근거로 보상팩터(CF; Compensation Factor)를 생성하게 된다.
상기 보상팩터(CF)는 램(Ramp)함수를 이용해 결정되며, 본 실시예에서 CF = 0은 상대습도목표값(K5)이하 일 때 부여되고, CF = 1을 상대습도 목표값(K5)초과 일 때 부여되며, 통상 상기 보상팩터(CF)는 CF = 0이나 또는 CF = 1로 부여된다.
단계S54는 보상팩터(CF)를 고려하여 산출된 최종보상값(CFf)을 나타낸다.
도 8은 최종 보상값(CFf)이 산출되고 난 후 실행되는 확장로직을 나타낸다.
단계S55는 최종 보상값(CFf)이 보상팩터(CF)에 조정(Calibration)된 엔진회전수 커브선도 해당값(Crpm)을 곱하여 산출됨을 나타내는데, 상기 최종 보상값(CFf)은 단계S56과 같이 베이스맵(base Map)과의 매치관계를 이용해 적용제어값(Cad)을 최종적으로 산출하며, 상기 적용제어값(Cad)은 상대습도목표값(K5)을 대신해 제어목표를 최적화시켜주는 제어 변수로 적용되어진다.
여기서, 상기 베이스 맵(Base Map)은 전술된 EGR제어로직에 적용되는 맵을 의미한다.
상기와 같이 최종적으로 적용제어값(Cad)이 산출되면, 단계S57과 같이 EGR시스템을 구성하는 구성요소들로부터 제어목표가 되는 대상이 선정되는데, 상기 제어목표는 적용제어값(Cad)에 따라 피드백(Feedback)제어되어 최적화됨으로써 응축수 발생을 방지할 수 있는 대상을 의미한다.
단계S71은 선정되는 제어목표를 나타내는데, 이는 흡입공기 목표량제어(X)를 위한 구성요소와, 단계S72와 같이 제어목표를 EGR밸브개도량제어(Y)를 위한 구성요소와, 단계S73과 같이 제어목표를 부스트압력제어(Z)를 위한 구성요소를 모두 선택하여준다.
상기와 같이 제어목표(X,Y,Z)들이 선정되면, 단계S58과 같이 적용제어값(Cad)을 제어 변수로 하여 제어목표(X,Y,Z)들에 대한 피드백(Feedback)제어가 수행되어진다.
단계S581은 제어목표(X,Y,Z)들을 독립적으로 제어하는 개별제어방식으로서, 이 과정에서는 흡입공기유량(Qa)과 통과유량(Na) 및 부스트압력이 각각 개별적인 제어 변수로 취급되어진다.
즉, 상기 개별제어방식에서는 흡입공기 목표량제어(X)가 선택되면 EGR시스템의 혼합관로(8)로 유입되는 흡입공기유량(Qa)만 제어되고, EGR 밸브개도량제어(Y)가 선택되면 EGR시스템의 EGR밸브(LP-EGR밸브 또는 HP-EGR밸브)의 개도량으로 배기가스의 통과유량(Na)만 제어되며, 부스트압력제어(Z)가 선택되면 EGR시스템의 부스트압력만 제어되어진다.
반면, 단계S582는 다수로 선정된 제어목표(X,Y,Z)를 하나의 제어단위로 묶어 서로 협조제어하는 협조제어방식으로서, 이 과정에서는 흡입공기유량(Qa)과 통과유량(Na) 및 부스트압력이 모두 동시에 제어 변수로 취급되어진다.
이에 따라, 상기 협조제어방식에서는 개별제어방식에 비해 상대적으로 제어목표(X,Y,Z)를 보다 정밀하게 제어함은 물론 제어신뢰성도 크게 높여 줄 수 있게 된다.
상기와 같은 과정들을 거쳐 제어목표(X,Y,Z)들에 대해 1주기(1 Cycle)가 수행되면, 단계S59와 같이 상대습도목표값(K5) =- 상태가 변하여 상대습도목표값(K5)을 만족하였는지 여부를 판단한 후 그 판단 결과에 맞추어 적합한 제어단계로 피드백되어진다.
일례로, 단계S60은 상대습도목표값(K5)의 만족여부 판단결과 상대습도목표값(K5) = + 상태로 전환된 경우로서, 이 경우에는 응축수 발생 가능성이 제거된 상태이므로 도 7의 단계35로 복귀된 후 단계40과 같이 EGR제어로직을 수행하는 과정으로 전환되어진다.
반면, 단계S61은 상대습도목표값(K5)의 만족여부 판단결과 상대습도목표값(K5) = - 상태가 유지된 경우로서, 이 경우에는 응축수 발생 가능성이 여전히 존재하므로 도 7의 단계36으로 복귀된 후 단계S50과 같이 확장로직을 다시 수행하는 과정으로 전환되어진다.
상기와 같이 제어목표(X,Y,Z)들에 대한 개별제어나 또는 협조제어는 모두 상대습도목표값(K5)에 맞춰져 피드백(Feedback)제어됨으로써, 실시간 엔진 운전영역에 대해 EGR시스템의 배기가스로 인한 응축수 발생 가능성을 근본적으로 차단할 수 있게 된다.
설명된 바와 같이, 본 실시예에 따른 배기가스 습도 제어방법은 엔진에서 배출되어 관로를 흐르는 배기가스로 인한 응축수 발생 가능성을 근본적으로 차단함으로써, 상기 제어방법을 차량의 배기계에 적용할 경우 응축수로 인한 배기계 관로의 부식현상이 방지될 수 있고, 특히 EGR시스템에서는 EGR라인에 설치된 구성요소들을 부식 위험성으로부터 안전하게 보호할 수 있어 HP-EGR에 비해 장점이 큰 LP-EGR의 실차 적용성을 크게 높일 수 있게 된다.
도 9는 본 실시예에 따른 배기가스 습도 제어방법을 적용한 LP-EGR타입 EGR시스템의 한 예를 나타낸다.
도시된 바와 같이, LP-EGR타입 EGR시스템은 엔진(1)의 배기매니폴드(2)에 터보차져(9)의 터빈과 연결되고 필터(4,DPF)를 구비한 배기라인(3)이 이어지고, 상기 필터(4,DPF)의 후단에서 분기되어 LP-EGR밸브(5)와 LP-EGR쿨러(7)를 구비한 LP-EGR라인(6)이 터보차져(9)의 전단에서 외기와 섞이도록 외기를 도입하는 혼합관로(8)에 연결되고, 상기 혼합관로(8)에서 이어져 인터쿨러(11)를 구비한 흡기인테이크(10)가 엔진(1)의 흡기매니폴드(12)로 연결되어진다.
상기 LP-EGR타입 EGR시스템은 차량(V)과 더불어 엔진(1)을 제어하는 ECU(40)을 이용해 제어되며, 이를 위해 상기 ECU(40)는 통상적인 흡기유량제어인 EGR제어로직과 함께 본 실시예에 따른 배기가스 응축수 제어방법을 위한 ETK ECU(50)를 구비하게 된다.
상기 ECU(40)는 메인로직 구현시 LP-EGR타입 EGR시스템 상태를 파악하기 위한 각종 정보들을 센서로부터 획득하는데, 일례로 LP-EGR밸브(5)로 설치된 압력센서(60)는 배기가스 압력 정보를 제공하고, LP-EGR라인(6)과 흡기인테이크(10)가 연결되는 혼합관로(8)로 설치된 습도센서(70)는 배기가스와 흡입공기내 습도 정보를 제공하도록 구비되어진다.
상기와 같은 압력센서(60)와 습도센서(70)는 한 예이며 통상적으로는 다양한 종류의 센서들이 구비되어 ECU(40)에 정보를 제공하게 된다.
상기 ETK ECU(50)는 배기가스 응축수 제어방법 실행시 그 제어목표로 선정된 LP-EGR밸브(5)의 개도량을 제어하고, 혼합관로(8)로 외부에서 유입되는 흡입공기량을 제어하며, 배기라인과 LP-EGR라인(6)과 흡기인테이크(10)로 형성되는 부스트압력을 제어하는데, 이를 위해 상기 제어목표들과 통신케이블(ETK Interface Cable)을 이용해 통신되도록 회로를 구성하게 된다.
상기 ETK ECU(50)는 전술한 바와 같이, ECU(40)내의 로직 중 일부를 인터럽트(Interrupt)하여 ASCET라 명명된 프로그램에서 실행되는 제어로직으로서 ECU(40)의 메인 제어영역을 벗어난 조건으로 엔진을 제어하는 기능을 총칭한다.
이에 더해, 상기 LP-EGR타입 EGR시스템에는 LP-EGR라인(6)에 비상필터(30)를 더 포함하는데, 이는 상기 비상필터(30)가 필터(4)의 파손시 엔진(1)의 흡기계로 유입되는 배기가스를 방지하기 위함이다.
본 실시예에서 상기 LP-EGR타입 EGR시스템으로부터 산출되는 정보는 DPF타입 필터(4)의 후단에서 LP-EGR라인(6)으로 분기된 배기가스통과질량(Na)과, EGR관로를 흘러 인터쿨러(7)를 빠져나가는 배기가스 유속온도(Tin,Tout)와, 배기가스+흡입공기인 혼합기유량 온도(Mt)/질량(Mm)과 더불어 배기가스 절대습도(Ha1)/상대습도(Hr1)/수증기분압(Sp1) 및 혼합기 절대습도(Ha2)/상대습도(Hr2)/수증기분압(Sp2)/포화수증기압(Hp2)등이 획득되어진다.
여기서, 상기 제어인자중 배기가스통과질량(Na)은 LP-EGR밸브(5)로부터 산출되고, 배기가스 유속온도/압력(Tout,Pout)/절대습도(Ha1)/상대습도(Hr1)/수증기분압(Sp1)은 LP-EGR쿨러(7)로부터 산출되며, 혼합기유량 온도(Mt)와 질량(Mm)은 혼합관로(8)로부터 산출되고, 혼합기 절대습도(Ha2)/상대습도(Hr2)/수증기분압(Sp2)/포화수증기압(Hp2)등은 인터쿨러(11)로부터 산출되는데, 이는 전술한 바와 같이 예측인자(W)와 제거인자(Va,Vb)를 의미한다.
상기 LP-EGR타입 EGR시스템으로부터 산출된 예측인자(W)와 제거인자(Va,Vb)는 상대습도예측값(K2)으로 산출되어진다.
상기와 같이 상대습도예측값(K2)이 산출되면, 엔진(1)에서 배출되어 LP-EGR타입 EGR시스템을 흐르는 배기가스로부터 산출된 상대습도 허용한계값(K1)과, LP-EGR밸브(5)에서 EGR라인(6)쪽으로 유입되어 LP-EGR쿨러(7)를 통과하는 배기가스로부터 산출된 상대습도현재값(K3)을 각각 산출한 다음, 이들의 관계를 이용해 상대습도목표값(K5)이 결정된 후 최종적인 적용제어값(Cad)으로 변환시켜준다.
상기 적용제어값(Cad)은 통신케이블(ETK Interface Cable)로 연결된 ETK ECU(50)를 통해 LP-EGR밸브(5)의 개도량과 혼합관로(8)의 흡입공기량과 부스트압력을 개별제어방식이나 또는 협조제어방식으로 피드백제어하는데 사용되어진다.
상기와 같이 제어목표인 LP-EGR밸브(5)의 개도량과 혼합관로(8)의 흡입공기량과 부스트압력이 최적제어됨으로써, LP-EGR타입 EGR시스템에서 응축수 발생 가능성이 근본적으로 차단될 수 있게 된다.
그러므로, LP-EGR을 이루는 구성요소인 터보차져(9)와 인터쿨러(11)가 응축수로 인한 부식 위험성으로부터 벗어날 수 있고, 이로 인해 HP-EGR에 비해 다양한 장점을 갖는 LP-EGR타입 EGR시스템의 실차 적용성이 크게 높아질 수 있게 된다.
한편, 도 10은 본실시예에 따른 배기가스 습도 제어방법을 적용한 LP-EGR + HP-EGR 타입 EGR시스템의 구성도를 나타낸다.
도시된 바와 같이 상기 EGR 시스템은 전술한 도 9의 LP-EGR 타입 EGR 시스템과 동일한 구성에 HP-EGR만 더 부가하여 구성되며, 상기 HP-EGR은 엔진(1)의 배기매니폴드(2)에서 분기되어 엔진(1)의 흡기매니폴드(12)로 연결되는 HP-EGR라인(22)과, 상기 HP-EGR라인(22)에 구비된 HP-EGR밸브(21)와 HP-EGR쿨러(20)로 구성되어진다.
상기 LP-EGR + HP-EGR 타입 EGR시스템에 적용된 ECU(40)에도 도 9의 LP-EGR 타입 EGR 시스템과 동일한 작용을 하는 압력센서(60)와 습도센서(70)가 구비되어진다.
또한, 상기 LP-EGR + HP-EGR 타입 EGR시스템에도 전술한 바와 같이 ECU(40)에 구비된 ETK ECU(50)가 LP-EGR밸브(5)의 개도량과 혼합관로(8)의 흡입공기량과 부스트압력을 개별제어방식이나 또는 협조제어방식으로 피드백제어함으로써 응축수 발생을 근본적으로 차단시켜 줄 수 있게 된다.
그러므로, 본 실시예에 따른 LP-EGR + HP-EGR 타입 EGR시스템에서도 도 9의 LP-EGR타입 EGR시스템과 동일하게 응축수로 인한 부식 위험성으로부터 벗어날 수 있고, 이로 인해 EGR시스템의 실차 적용시 HP-EGR과 다양한 장점을 갖는 LP-EGR을 함께 구성함으로써 EGR시스템의 기능을 더욱 강화시킬 수 있게 된다.
1 : 엔진 2 : 배기매니폴드
3 : 배기라인 4 : 필터(DPF)
5 : LP-EGR밸브 5a : 노즐
6 : LP-EGR라인
7 : LP-EGR쿨러 8 : 혼합관로
9 : 터보차져 9a : 터빈
9b : 압축기 10 : 흡기인테이크
11 : 인터쿨러 12 : 흡기매니폴드
20 : HP--EGR쿨러 21 : HP-EGR밸브
22 : HP-EGR라인 30 : 비상필터
40 : ECU 50 : ETK ECU
60 : 압력센서 70 : 습도센서

Claims (19)

  1. 엔진에서 배출된 후 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템을 흐르는 배기가스의 상대습도 허용한계값(K1)을 설정하고, 상기 엔진과 상기 EGR시스템의 가동상태로부터 상대습도현재값(K3)을 검출하는 조건설정단계;
    상기 배기가스를 분기시켜 상기 EGR시스템으로 흘려주고, 외부로부터 유입되는 흡입공기와 상기 배기가스가 함께 섞여진 혼합기를 상기 엔진으로 공급하는 흐름영역을 모델링 대상으로 하고, 상기 모델링 대상으로부터 질량값과 온도값 및 압력값인 예측인자를 구한다음, 상기 예측인자와 함께 습도값과 수증기값인 제거인자를 구한 후 이를 이용하여 상대습도예측값(K2)을 산출하는 습도인자산출단계;
    상기 상대습도 허용한계값(K1)과 상기 상대습도현재값(K3) 및 상기 상대습도예측값(K2)의 관계로부터 상기 EGR시스템에 대한 상대습도목표값(K5)을 상대습도목표값(K5) = + 또는 -로 결정하고, 상기 상대습도목표값(K5) = + 일 때 흡기유량제어로 상기 EGR시스템을 제어하는 EGR제어로직을 수행하고 상기 상대습도목표값(K5) = - 일 때 피드백제어하는 확장로직을 실행하는 습도제거실행단계;
    상기 엔진의 구동이 정지되면, 상기 조건설정단계로 복귀되도록 초기화되는 제어대기모드단계;
    를 포함해 수행되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 조건설정단계에서 설정되는 상기 상대습도 허용한계값(K1)은 엔진에서 배출된 후 EGR(Exhaust Gas Recirculation)시스템을 흐르는 배기가스와 외부에서 빨아들인 흡입공기가 섞인 혼합기를 이용해 설정되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 상대습도 허용한계값(K1)은 엔진회전수(RPM)와 부하를 고려하여 설정되고, 상기 엔진 사양과 상기 EGR시스템 사양에 따라 여러 값으로 세분화되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 습도인자산출단계는 상기 EGR시스템에서 배기라인에 설치된 필터의 후단으로부터 배기가스를 분기시키는 분기구간과, 분기된 상기 배기가스의 흐름을 연속시키는 라인흐름구간과, 상기 배기가스를 외부로부터 유입되는 흡입공기와 함께 섞여지는 혼합기를 형성해주는 혼합구간을 모델링 대상으로 하고, 상기 모델링 대상으로부터 상기 배기가스와 상기 혼합기에 대한 질량값과 온도값 및 압력값을 예측인자로 산출하는 습도예측단계와;
    상기 EGR시스템에서 상기 필터의 후단으로부터 분기된 배기가스의 흐름을 연속시키는 라인흐름구간과, 상기 혼합기의 흐름을 상기 엔진의 흡기매니폴드로 연속시키는 연속라인흐름구간을 또 다른 모델링 대상으로 하고, 상기 모델링 대상으로부터 상기 배기가스와 상기 혼합기에 대한 습도값과 수증기값을 제거인자로 산출한 다음, 상기 예측인자와 함께 상기 제거인자를 이용하여 상기 EGR시스템을 흐르는 배기가스의 상대습도예측값(K2)을 산출하는 습도제거단계;
    로 수행되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 분기구간에는 이상기체와 등엔트로피 및 단열가역과정 조건이 적용되고, 상기 라인흐름구간에는 등압력과 대류열전달 조건과 함께 완전연소에 의한 연료수증기 발생조건이 적용되며, 상기 혼합구간에는 열역학상태 균일과 벽면열전달/질량이동차단 및 이상기체와 에너지일정 조건이 적용되고, 상기 연속라인흐름구간에는 외부로부터 유입되는 흡입공기의 상대습도 불변(온도 및 압력무관)과 완전연소에 의한 연료수증기 발생조건이 적용되고, 상기 조건을 적용한 상태에서 상기 예측인자와 상기 제거인자들이 도출되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 예측인자는 상기 EGR라인쪽으로 분기되어 흐르는 배기가스통과질량(Na)과, 상기 EGR라인을 흘러가는 배기가스 유속온도/압력(Tout,Pout)과, 상기 배기가스통과질량(Na)이 외부로부터 흡입되는 흡입공기와 섞인 혼합기가 흡기매니폴드로 흘러가는 혼합기유량온도(Mt)와 혼합기질량(Mm)이고;
    상기 제거인자는 상기 EGR라인을 흐르는 배기가스로부터 배기가스 절대습도(Ha1)와 상대습도(Hr1) 및 배기가스 수증기분압(Sp1)을 산출하고, 외부로부터 흡입되는 흡입공기와 상기 배기가스가 함께 섞인 혼합기 절대습도(Ha2)와 상대습도(Hr2) 및 수증기분압(Sp2)과 포화수증기압(Hp2);인 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 배기가스통과질량(Na)은 이론통과유량(Nai)에 입구압력Pf과 출구압력Pa을 고려한 노즐의 전체유량면적 중 노즐 유효유량면적(EFA, Effective Flow Area)을 적용한 보상인자(Nac)를 곱한 값인 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 습도제거실행단계에서 실행되는 EGR제어로직은 기 설정되어진 베이스 맵(base Map)의 매치를 통한 흡기유량제어로 상기 EGR시스템을 제어하는 방식이고, 상기 확장로직은 상기 모델링대상에 구비된 제어요소들을 상대습도목표값(K5) = + 로 전환될 때까지 피드백제어하는 방식인 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 상대습도목표값(K5)은 상기 상대습도예측값(K2)에서 상기 상대습도현재값(K3)을 뺀 차이값인 상대습도제어값(K4)을 산출하고, 상기 상대습도허용한계값(K1)에서 상기 상대습도제어값(K4)을 뺀 차이값에 따라 상대습도목표값(K5) = + 와 상대습도목표값(K5) = - 로 정의되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  10. 청구항 9에 있어서, 상기 상대습도목표값(K5)은 상기 배기가스와 상기 흡입공기를 압축하는 구성요소의 입구온도변화선도 및 회전수를 근거한 보상 맵을 적용해 산출된 제어보상값(Wc)과, 상기 제어보상값(Wc)을 근거로 0 - 1 사이로 선정된 보상팩터(CF)와, 상기 보상팩터(CF)에 엔진회전수 커브선도의 조정(Calibration)된 해당값(Crpm)을 곱해 산출된 최종보상값(CFf)과, 상기 최종 보상값(CFf)에 상기 베이스 맵(Base Map)의 매치관계를 이용해 산출된 적용제어값(Cad)으로 세분되는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 보상팩터(CF)는 램(Ramp)함수를 이용해 결정되고, 보상팩터(CF) = 0은 상대습도목표값(K5)이하일 때 이고 보상팩터(CF) = 1은 상대습도목표값(K5)초과일 때 인 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  12. 청구항 8에 있어서, 상기 확장로직의 모델링대상에 구비된 제어요소는 상기 배기라인으로부터 상기 배기가스를 분기시켜주는 구성요소와, 상기 배기가스에 섞여 혼합기를 형성하도록 외부에서 흡입공기를 유입하는 구성요소와, 부스트압력을 형성하는 구성요소이고,
    상기 구성요소는 각각 개별적으로 제어되는 개별제어방식이나 또는 모두를 하나의 제어단위로 묶어 서로 협조제어하는 협조제어방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어방법.
  13. 터보차져의 터빈과 연결되고 엔진의 배기매니폴드에 연결된 배기라인에서 분기되어 배기가스를 유입하는 LP-EGR라인과;
    상기 터보차져의 전단에서 상기 LP-EGR라인과 연통되고, 외부로부터 흡입되는 흡입공기를 상기 LP-EGR라인을 빠져나온 배기가스와 섞어 상기 터보차져로 보내주는 혼합관로와;
    상기 혼합관로에서 이어져 상기 엔진의 흡기매니폴드로 연결된 흡기인테이크와;
    베이스맵(Base Map)의 매치를 통한 흡입공기유량제어로 상기 LP-EGR라인에 설치된 LP-EGR밸브와 LP-EGR쿨러 및 상기 흡기인테이크에 구비된 인터쿨러를 제어하는 EGR제어로직과, 상기 LP-EGR라인과 혼합관로 및 흡기인테이크내 응축수 제거를 위해 상기 LP-EGR라인에 설치된 LP-EGR밸브와 LP-EGR쿨러 및 상기 흡기인테이크에 구비된 인터쿨러를 제어하는 습도제어로직을 함께 갖춘 ECU;를 포함해 구성되고,
    상기 LP-EGR밸브와 상기 LP-EGR쿨러사이에서 상기 LP-EGR라인에 구비된 비상필터를 더 포함한 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어를 적용한 배기가스재순환시스템.
  14. 청구항13에 있어서, 상기 습도제어로직에서 요구되는 상대습도허용한계값(K1)은 상기 EGR시스템을 흐르는 배기가스와 외부에서 빨아들인 흡입공기가 섞인 혼합기로부터 산출하고;
    상대습도예측값(K2)은 상기 LP-EGR밸브의 배기가스통과질량(Na)과, 상기 LP-EGR쿨러의 유속온도/압력(Tout,Pout)과 절대습도/상대습도(Ha1,Hr1) 및 수증기분압(Sp1)과, 상기 혼합관로의 혼합기유량온도(Mt)/혼합기질량(Mm)과, 상기 인터쿨러의 절대습도/상대습도(Ha2,Hr2)와 수증기분압(Sp2) 및 포화수증기압(Hp2)등의 측정값을 인자로 하여 산출하며;
    상대습도현재값(K3)은 상기 LP-EGR밸브에서 상기 EGR라인쪽으로 유입되어 상기 LP-EGR쿨러를 통과하는 배기가스로부터 산출하는 한편;
    상기 습도제어로직에서 실행되는 확장로직의 제어목표는 빨아들이는 흡입공기량이 제어되는 상기 혼합관로와, LP-EGR라인으로 분기되는 배기가스유량이 밸브개도량으로 제어되는 상기 LP-EGR밸브와, 상기 엔진과 상기 EGR시스템 구동에 의해 변화되는 부스트압력인 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어를 적용한 배기가스재순환시스템.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 제어목표는 각각 개별적으로 제어되는 개별제어방식이나 또는 모두를 하나의 제어단위로 묶어 서로 협조제어하는 협조제어방식으로 제어되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어를 적용한 배기가스재순환시스템.
  16. 청구항13에 있어서, 상기 ECU에는 상기 습도제어로직을 실행하는 ETK ECU가 더 포함되고, 상기 ETK ECU는 상기 LP-EGR밸브의 개도량과 상기 혼합관로 흡기유량과 부스트압력제어를 위해 통신케이블(ETK Interface Cable)로 연결되어 구성되는 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어를 적용한 배기가스재순환시스템.
  17. 삭제
  18. 청구항13에 있어서, 상기 LP-EGR밸브에 설치되어 배기가스의 압력을 검출하는 압력센서와, 상기 혼합관로에 설치되어 배기가스와 흡입공기내 습도를 검출하는 습도센서를 포함해 구성된 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어를 적용한 배기가스재순환시스템.
  19. 청구항13에 있어서, 상기 배기매니폴드에서 분기되어 상기 흡기매니폴드로 연결되어진 HP-EGR라인과, 상기 HP-EGR라인의 배기가스 흐름방향을 상기 배기매니폴드에서 상기 흡기매니폴드로 형성하는 HP-EGR밸브와 HP-EGR쿨러를 더 포함한 것을 특징으로 하는 배기가스 응축수 제어를 적용한 배기가스재순환시스템.
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