KR102429496B1 - 워터 인젝션시스템 및 그의 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명에 의한 워터 인젝션시스템은, 엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터; 워터 공급도관과, 상기 워터 공급도관의 상류단에 설치된 워터탱크와, 워터탱크의 하류 측에 배치된 차단밸브와, 차단밸브의 하류 측에 배치된 분사밸브를 가진 워터 공급회로; 에어 공급도관과, 상기 에어 공급도관의 상류단에 설치된 에어탱크와, 상기 에어탱크의 하류 측에 배치된 에어 퍼지밸브를 가진 퍼지회로; 상기 엔진의 흡기계로부터 물을 상기 워터탱크로 회수하도록 엔진의 흡기계와 워터탱크를 연결하는 워터 회수도관과, 워터 회수도관에 개폐가능하게 설치된 드레인밸브를 가진 워터 회수회로; 및 상기 워터 공급회로, 상기 퍼지회로, 상기 워터 회수회로를 제어하는 ECU를 포함하고, 상기 워터 회수회로는 상기 엔진의 흡기계에 고인 물의 양이 설정된 임계치(predetermined threshold)에 도달하면 상기 드레인밸브를 개방함으로써 엔진의 흡기계에서 물을 회수하도록 구성될 수 있다.
Description
본 발명은 워터 인젝터에 의해 흡기포트를 향해 물을 분사하는 워터 인젝션시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 흡기관 또는 흡기매니폴드 내에 고인 물(stagnant water)을 워터탱크 내로 회수하는 함으로써 엔진 내로 물이 유입됨을 방지할 수 있는 워터 인젝션시스템 및 그의 제어방법에 관한 것이다.
차량 내연기관의 연소 시에 내연기관의 연소열을 낮춤으로써 에미션(질소산화물, 하이드로카본 등)을 억제하고, 공기와 연료의 혼합비를 줄여 연비를 향상시키기 위한 다양한 기술이 연구개발되고 있다.
이러한 연소열 및 질소산화물 등을 저감하고, 연비를 향상시키기 위한 대표적인 기술로는 EGR 시스템(Exhaust Gas Recirculation system) 또는 워터 인젝션시스템(water injection system) 등이 연구개발되고 있다
워터 인젝션시스템(water injection system)은 물을 흡기 또는 연료-공기 혼합물(fuel-air mixture)에 분사하거나 엔진의 흡기포트 측으로 직접적으로 분사하여 엔진의 온도를 낮춤으로써 노킹(knocking)을 줄이고, 에미션(emission)을 저감하며, 공기와 연료의 혼합비를 줄임으로써 엔진의 출력 및 토크를 상승시킬 수 있다.
하지만, 워터 인젝터에 의해 물을 엔진의 흡기포트를 향해 분사할 때, 흡기관 또는 흡기 매니폴드의 내부 유동 특성으로 인해 특정 부분에서 유속저하 또는 액적(droplet)의 크기가 클 경우에 충분히 기화되지 못한 액적들이 흡기관 또는 흡기 매니폴드 내에 고일 수 있고, 이렇게 고인 물이 특정 조건에서 엔진의 내부로 유입되어 엔진 정지(engine stall)를 초래하는 단점이 있었다.
또한, 종래의 워터 인젝션시스템은 1일 평균 연료소모량의 30% 이상의 물을 분사하여야 함에 따라 물을 저장하는 워터탱크가 대용량으로 구성되어 있고, 이로 인해 엔진룸의 설치공간을 더욱 협소하게 할 수 있는 단점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 점을 고려하여 안출한 것으로, 흡기계의 흡기관 또는 흡기매니폴드 내에 고인 물(stagnant water)을 워터탱크 내로 회수하는 함으로써 엔진 내로 물이 유입됨을 방지할 수 있는 워터 인젝션사시스템 및 워터 인젝션시스템의 제어방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면은 워터 인젝션시스템으로,
엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터;
워터 공급도관과, 상기 워터 공급도관의 상류단에 설치된 워터탱크와, 워터탱크의 하류 측에 배치된 차단밸브와, 차단밸브의 하류 측에 배치된 분사밸브를 가진 워터 공급회로;
에어 공급도관과, 상기 에어 공급도관의 상류단에 설치된 에어탱크와, 상기 에어탱크의 하류 측에 배치된 에어 퍼지밸브를 가진 퍼지회로;
상기 엔진의 흡기계로부터 물을 상기 워터탱크로 회수하도록 엔진의 흡기계와 워터탱크를 연결하는 워터 회수도관과, 워터 회수도관에 개폐가능하게 설치된 드레인밸브를 가진 워터 회수회로; 및
상기 워터 공급회로, 상기 퍼지회로, 상기 워터 회수회로를 제어하는 ECU를 포함하고,
상기 워터 회수회로는 상기 엔진의 흡기계에 고인 물의 양이 설정된 임계치(predetermined threshold)에 도달하면 상기 드레인밸브를 개방함으로써 엔진의 흡기계에서 물을 회수하도록 구성될 수 있다.
상기 차단밸브는 물 분사지속시간 동안에 연속적으로 개방되도록 구성될 수 있다.
상기 분사밸브는 PWM 듀티 사이클에 따라 구동하도록 구성될 수 있다.
상기 ECU는 차단밸브 및 분사밸브를 일정시간 간격으로 개별적으로 제어함으로써 상기 워터 공급도관의 내부에 물을 채운 후에 상기 워터 인젝터가 물을 분사하도록 구성될 수 있다.
상기 에어 퍼지밸브는 PWM 듀티 사이클에 따라 구동하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 측면은 엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터; 워터 공급도관과, 상기 워터 공급도관의 상류단에 설치된 워터탱크와, 워터탱크의 하류 측에 배치된 차단밸브와, 차단밸브의 하류 측에 배치된 분사밸브를 가진 워터 공급회로; 에어 공급도관과, 상기 에어 공급도관의 상류단에 설치된 에어탱크와, 상기 에어탱크의 하류 측에 배치된 에어 퍼지밸브를 가진 퍼지회로; 상기 엔진의 흡기계로부터 물을 상기 워터탱크로 회수하도록 엔진의 흡기계와 워터탱크를 연결하는 워터 회수도관과, 워터 회수도관에 개폐가능하게 설치된 드레인밸브를 가진 워터 회수회로; 및 상기 워터 공급회로, 상기 퍼지회로, 상기 워터 회수회로를 제어하는 ECU를 포함하는 워터 인젝션시스템의 제어방법으로,
워터탱크로부터 공급된 물을 워터 인젝터에 의해 엔진의 흡기계로 설정된 물 분사시간 동안에 분사하는 물 분사단계;
물 분사시간 이후에 위해 상기 워터 인젝터를 설정된 에어 퍼지시간 동안에 에어에 의해 퍼지하는 에어 퍼지단계; 및
상기 엔진의 흡기계에 고인 물의 양이 상기 엔진의 흡기계에 고인 물의 양이 설정된 임계치(predetermined threshold)에 도달하면 상기 드레인밸브를 설정된 시간 동안에 개방함으로써 물을 워터 탱크로 회수하는 물 회수단계;를 포함할 수 있다.
상기 물 분사단계에서, 상기 차단밸브를 물 분사시간 동안에 연속적으로 개방할 수 있다.
상기 물 분사단계에서, 상기 차단밸브를 개방하고 상기 분사밸브를 설정된 1차 워터 필링타임 동안에 폐쇄함으로써 워터 공급도관이 워터 탱크로부터 흘러나온 물로 분사밸브의 입구까지 채워지는 1차 워터 필링단계를 실행할 수 있다.
상기 물 분사단계에서, 상기 1차 워터 필링타임 이후에 설정된 2차 워터 필링타임 동안에 상기 분사밸브를 개방함으로써 상기 워터 공급도관은 상기 워터 탱크로부터 흘러나온 물로 워터 인젝터까지 채워질 수 있다.
상기 물 분사단계에서, 상기 2차 워터 필링단계 이후에, 상기 분사밸브를 설정된 PWM 듀티사이클에 따라 제어함으로써 상기 분사밸브의 개방 및 폐쇄가 설정된 시간 동안 반복적으로 구동될 수 있다.
상기 에어 퍼지단계는, 상기 물 분사단계 이후에 차단밸브 및 분사밸브를 폐쇄하고, 상기 에어 퍼지밸브를 설정된 제1PWM 듀티사이클에 따라 제어함으로써 에어 퍼지밸브의 개방 및 폐쇄가 설정된 1차 에어 퍼지시간 동안 반복적으로 실행되는 1차 에어퍼지를 실행할 수 있다.
상기 1차 에어 퍼지시간 이후에 상기 에어 퍼지밸브를 설정된 제2PWM 듀티사이클에 따라 제어함으로써 2차 에어 퍼지를 실행할 수 있다.
상기 제2PWM 듀티사이클은 상기 제1PWM 듀티사이클 보다 크게 설정될 수 있다.
상기 2차 에어 퍼지시간이 상기 1차 에어 퍼지시간 보다 길게 설정될 수 있다.
상기 워터 필링단계에서 워터 인젝터로부터 누설되는 물의 양과, 워터 인젝터가 물을 분사할 때 무화되지 못하여 흡기계에 고인 물의 양과, 상기 1차 에어퍼지시간 동안에 워터 공급도관에서 배출되는 물의 양을 이용하여 상기 흡기계에 고인 물의 양을 계산할 수 있다.
본 발명에 의하면, 흡기계의 흡기관 또는 흡기매니폴드 내에 고인 물(stagnant water)을 워터탱크 내로 회수하는 함으로써 엔진의 실린더 내로 물이 유입됨을 방지할 수 있는 장점이 있다.
본 발명에 의하면, 워터 인젝터에 의해 물을 분사하기 전에, 1차 및 2차 워터 필링단계에 의해 워터 공급도관을 단계적으로 채움으로써 물 분사를 보다 효율적이고 정밀하게 실행할 수 있다.
본 발명에 의하면, 분사밸브의 개방 및 폐쇄가 설정된 듀티 사이클에 따라 실행됨으로써 물의 무화(atomization)가 매우 안정적으로 이루어질 수 있고, 이를 통해 액적(droplet)의 발생이 방지하거나 액적의 사이즈를 최소화할 수 있다.
본 발명에 의하면, 1차 에어 퍼지 및 2차 에어퍼지를 통해 워터 공급도관 및 워터 인젝터를 순차적으로 퍼지함으로써 워터 공급도관 및 워터 인젝터에 물이 잔류함을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템을 도시한 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 물 분사, 에어퍼지 과정을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 1차 워터 필링단계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 2차 워터 필링단계를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 듀티 제어단계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 1차 에어 퍼지 이전의 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 1차 에어 퍼지단계를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 2차 에어 퍼지단계를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 물 분사, 에어퍼지 과정을 도시한 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 1차 워터 필링단계를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 2차 워터 필링단계를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 듀티 제어단계를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 1차 에어 퍼지 이전의 상태를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 1차 에어 퍼지단계를 도시한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템의 2차 에어 퍼지단계를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 실시예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 워터 인젝션시스템(10)은, 엔진(1)의 흡기계(3) 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터(20)와, 워터 인젝터(20)에 물을 공급하는 워터 공급회로(30, water supply circuit)와, 워터 인젝터(20)를 퍼지하는 퍼지회로(40, purge circuit)와, 엔진(1)의 흡기계(3)로부터 물을 회수하는 워터 회수회로(50, water collect circuit)과, ECU(60)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션시스템(10)은 차량의 엔진(1)의 흡기계 측으로 물을 분사하도록 연결되고, 엔진(1)은 복수의 실린더(5)를 가진 다기통 내연기관일 수 있다.
엔진(1)의 흡기계(3)는 흡기도관(2)의 입구 측에 인접하게 설치된 에어필터(3a)와, 에어필터(3a)의 하류 측에 설치된 압축기(3b)와, 압축기(3b)의 하류 측에 설치된 인터쿨러(3c)와, 각 실린더(5)의 흡기포트(5a)와 소통하는 흡기 매니폴드(3d) 등을 가질 수 있다.
엔진(1)의 배기계(7)는 배기도관(6)에 설치된 후처리장치(8, after treatment device)와, 후처리장치(8)의 상류 측에 설치된 터빈(7b, turbine)과, 각 실린더(5)의 배기포트(5b)와 소통하는 배기 매니폴드(7c) 등을 가질 수 있다. 후처리장치(8)는 DOC(8a), DOC 및 DPF 통합형 구조(8b), SCR 등이 다양하게 조합되어 구성될 수 있다.
배기도관(6)과 흡기도관(2) 사이에는 EGR 회로(90, Exhaust Gas Recirculation circuit)가 설치된다. EGR 회로(90)는 배기도관(6)과 흡기도관(2) 사이에 연결된 EGR도관(91)과, EGR도관(91)에 설치된 EGR쿨러(92)와, EGR쿨러(92)의 상류 측에 설치된 EGR밸브(93)를 포함할 수 있다.
도 1에 예시된 바와 같이, EGR도관(91)이 터빈(7b)의 상류 측에 배치됨으로써 EGR 회로(90)는 고압 EGR 회로일 수 있다. 본 발명은 이에 한정되지 않으며, EGR유닛(90)의 EGR도관(91)이 후처리장치(8)의 하류 측에 설치됨으로써 저압 EGR 회로일 수도 있다.
워터 인젝터(20)는 흡기계(3) 측에 설치되어 엔진(1)의 흡기계로 유입되는 흡기 또는 엔진(1)의 흡기매니폴드(3d)에 물을 분사하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 워터 인젝터(20)는 흡기도관(2)에 장착될 수 있고, 워터 인젝터(20)는 인터쿨러(3c)의 출구와 각 실린더(5)의 흡기포트(5a) 사이에 배치될 수 있다. 이에, 워터 인젝터(20)는 물을 각 실린더(5)의 흡기포트(5a)를 향해 분사할 수 있다.
다른 실시예에 다르면, 워터 인젝터(20)는 흡기 매니폴드(3d)에 장착될 수도 있다. 이에, 워터 인젝터(20)는 물을 각 실린더(5)의 흡기포트(5a)를 향해 분사할 수 있다.
워터 공급회로(30)는 워터 공급도관(31)과, 워터 공급도관(31)의 상류단에 설치된 워터탱크(32)와, 워터탱크(32)의 물을 워터 인젝터(20)를 향해 물을 펌핑하는 워터 펌프(33)와, 워터 펌프(33)의 하류 측에 배치된 차단밸브(34)와, 차단밸브(34)의 하류 측에 배치된 분사밸브(36)를 포함할 수 있다.
차단밸브(34)는 워터 공급도관(31)의 유로를 개폐하도록 구성됨으로써 물을 공급하거나 차단할 수 있다. 차단밸브(34)는 분사밸브(36)의 고장, 리크 등에 대비한 안전밸브의 역할을 한다. 차단밸브(34)가 ECU(60)로부터 물 분사 신호를 수신함에 따라 차단밸브(34)는 개방되며, 물 분사지속시간(water injection duration) 동안에 차단밸브(34)는 연속적으로 개방될 수 있다.
차단밸브(34)와 분사밸브(36) 사이에는 물 공급도관(31) 내의 압력을 센싱하는 압력센서(35)가 배치될 수 있다.
분사밸브(36)는 PWM 듀티 사이클에 따라 구동하도록 구성될 수 있다(injection valve is configured to operated in accordance with PWM duty cycle). 이에, 분사밸브(36)는 PWM 듀티 사이클, 물 분사지속시간 등에 따라 물의 분사율 내지 물의 분사량 등을 조절할 수 있다. 분사밸브(36)는 솔레노이드 밸브 등과 같은 전자제어밸브로 이루어질 수 있다.
퍼지회로(40)는 에어 공급도관(41)과, 에어 공급도관(41)의 상류단에 설치된 에어 탱크(42)와, 에어 탱크(42)의 하류 측에 배치된 에어 퍼지밸브(43)를 포함할 수 있다.
에어 퍼지밸브(43)는 PWM 듀티 사이클에 따라 구동하도록 구성될 수 있다. 이에, 에어 퍼지밸브(43)는 에어의 퍼지율 내지 에어의 퍼지량 등을 조절할 수 있다. 에어 퍼지밸브(43)는 솔레노이드 밸브 등과 같은 전자제어밸브로 이루어질 수 있다.
워터 회수회로(50)는 엔진(1)의 흡기계(3)로부터 워터탱크(32)로 물을 회수하도록 구성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 워터 회수회로(50)는 엔진(1)의 흡기계(3)와 워터탱크(32)를 연결하는 워터 회수도관(51)과, 워터 회수도관(51)에 설치된 드레인밸브(52)와, 드레인밸브(52)와 워터탱크(32) 사이에 배치된 여과기(53)를 포함할 수 있다.
워터 회수도관(51)의 입구가 흡기매니폴드(3d)에 결합될 수 있고, 워터 회수도관(51)의 출구가 워터탱크(32)에 결합될 수 있다.
드레인밸브(52)는 흡기도관(2) 또는 흡기매니폴드(3d) 보다 낮은 위치에 배치될 수 있다. 드레인밸브(52)가 개방됨(drain valve is opened)으로써 흡기계(3)의 흡기도관(2) 또는 흡기매니폴드(3d)에 고인 물이 워터 회수도관(51)을 거쳐 워터탱크(32)로 원활하게 회수할 수 있다.
드레인밸브(52)는 흡기매니폴드(3d)의 사양, 엔진의 사양 등에 따라 개방도(opening degree)가 가변될 수 있는 보정가능한 밸브(calibratable valve)로 구성될 수 있다.
드레인밸브(52)와 워터탱크(32) 사이에는 회수 펌프(미도시)가 설치될 수 있고, 이러한 회수 펌프(미도시)에 의해 물의 회수효율이 향상될 수 있다.
흡기계(3)의 흡기도관(2) 또는 흡기매니폴드(3d)에 고인 물의 양(quantity of stagnated water in intake pipe or intake manifold of intake system)이 설정된 임계치(predetermined threshold)에 도달하면 드레인밸브(52)가 개방되도록 구성될 수 있고, 이에 의해 흡기계(3)에 고인 물을 워터탱크(32)로 회수할 수 있다.
워터 공급회로(30)의 워터 펌프(33), 차단밸브(34), 압력센서(35) 및 분사밸브(36)는 ECU(60)에 전기적으로 접속될 수 있다. ECU(60)는 압력센서(35)를 통해 워터 공급도관(31)을 통해 공급되는 물의 압력을 검출할 수 있고, ECU(60)는 워터 펌프(33), 차단밸브(34) 및 분사밸브(36)의 작동을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따르면, ECU(60)는 차단밸브(34) 및 분사밸브(36)를 일정시간 간격으로 개별적으로 제어함으로써 워터 공급도관(31)의 내부에 물을 채운 후에 워터 인젝터(20)가 물을 분사하도록 구성될 수 있다.
퍼지회로(40)의 에어 퍼지밸브(43)는 ECU(60)에 전기적으로 접속될 수 있다. ECU(60)는 에어 퍼지밸브(43)의 작동을 제어할 수 있다.
워터 회수회로(50)의 드레인밸브(52)는 ECU(60)에 전기적으로 접속될 수 있다. ECU(60)는 드레인밸브(52)의 작동을 제어할 수 있다. 특히, ECU(60)는 흡기매니폴드(3d)에 고인 물의 양이 설정된 임계치(predetermined threshold)에 도달하면 고인 물의 양이 설정된 임계치를 초과하기 전에 설정시간 동안 드레인밸브(52)를 개방하도록 구성될 수 있다. 고인 물의 양이 임계치를 초과하면 물이 엔진(1)의 실린더(5) 내로 유입될 수 있다.
설정된 임계치는 물 분사의 횟수, 물의 분사량 등과 같은 정보를 이용하여 시험을 통해 결정될 수 있다. 설정된 임계치는 흡기매니폴드(3d)의 사양, 엔진의 사양 등에 따라 변경가능하다.
도 2 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 워터 인젝션 시스템의 제어방법을 도시한다.
ECU(60)가 물 분사신호를 차단밸브(34) 및 분사밸브(36)에 전송하면 워터 공급회로(30)에 의해 물이 워터 인젝터(20)로 공급되고, 워터 인젝터(20)는 설정된 분사시간 동안(injection duration time, 도 2의 A 참조)에 물을 흡기계(3) 측으로 분사한다(S1).
상술한 물 분사단계(S1)를 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
차단밸브(34)는 분사시간(A) 동안에 연속적으로 개방된다(도 2의 D선 참조). 차단밸브(34)가 개방되고 워터 펌프(33)가 작동함에 따라 물이 워터 탱크(32)로부터 흘러 나옴(water is flow out of water tank)으로써 워터 공급도관(31)이 물로 채워질 수 있다. 이하에서는 워터 공급도관(31)이 물로 채워지는 단계를 워터 필링단계(water filling step)로 지칭한다. 이러한 워터 필링단계는 순차적으로 실행되는 1차 워터 필링단계(S1-1) 및 2차 워터 필링단계(S1-2)로 이루어질 수 있다.
차단밸브(34)가 개방되고 분사밸브(36)가 폐쇄되는 1차 워터 필링단계(S1-1)가 진행된다. 도 4에 도시된 바와 같이 분사밸브(36)가 1차 워터 필링타임(도 2의 "a" 참조) 동안(during first water filling time)에 폐쇄됨으로써, 워터 공급도관(31)은 워터 탱크(32)로부터 흘러나온 물로 분사밸브(36)의 입구까지 채워진다(the water supply pipe 31 is filled with water flowing from the water tank 32 to the inlet of injection valve 36).(도 4의 도번 "101" 참조) 이때, 압력센서(35)에 의해 워터 공급도관(31) 내에 채워진 물의 공급압력을 측정할 수 있고, ECU(60)는 물의 공급압력과 워터 공급도관(31)의 내부체적 등을 이용하여 1차 워터 필링타임(a)을 계산할 수 있다.
1차 워터 필링단계(S1-1) 이후에 차단밸브(34) 및 분사밸브(36)가 함께 개방되는 2차 워터 필링단계(S1-2)가 실행될 수 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 1차 워터 필링타임(a) 이후에 2차 워터 필링타임(도 2의 "b" 참조) 동안에 분사밸브(36)가 개방됨으로써 워터 공급도관(31)은 워터 탱크(32)로부터 흘러나온 물로 워터 인젝터(20)까지 채워진다(the water supply pipe 31 is filled with water flowing from the water tank 32 to the water injector 20)(도 5의 '102' 참조). 이때, ECU(60)는 물의 공급압력, 워터 공급도관(31)의 내부 체적 등을 이용하여 2차 워터 필링타임(b)을 계산할 수 있다. 또한, ECU(60)는 2차 워터 필링타임(b)과 2차 워터 필링단계에서 물이 채워지는 워터 공급도관(31)의 내부체적을 이용하여 2차 워터 필링단계에서 채워진 물의 양을 계산하고, 워터 탱크(32)로부터 공급된 물의 양에서 2차 워터 필링단계에서 채워진 물의 양(amount of filled water at second water filling step)을 차감함으로써 워터 인젝터(20)로부터 흡기도관(2) 또는 흡기매니폴드(3d)로 누설되는 물의 양을 계산할 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 워터 인젝터(20)에 의해 물을 분사하기 전에, 워터 필링단계(S1-1, S1-2)에 의해 워터 공급도관(31)을 단계적으로 채움으로써 물 분사를 보다 효율적이고 정밀하게 실행할 수 있다.
2차 워터 필링단계(S1-2) 이후에, 도 6에 도시된 바와 같이, ECU(60)가 분사밸브(36)를 설정된 PWM 듀티사이클에 따라 제어함(ECU controls injection valve in accordance with predetermined duty cycle)으로써 분사밸브(36)의 개방 및 폐쇄는 설정된 시간(도 2의 "c" 참조)동안 반복적으로 구동될 수 있다(S1-3). 이러한 분사밸브(36)의 듀티 제어를 통해 일정량의 물이 워터 인젝터(20)를 통해 분사될 수 있다(도 6의 '103' 참조).
본 발명은 상술한 바와 같이, 분사밸브(36)의 개방 및 폐쇄가 설정된 듀티 사이클에 따라 실행됨(S1-3)으로써 물의 무화(atomization)가 매우 안정적으로 이루어질 수 있고, 이를 통해 액적(droplet)의 발생이 방지하거나 액적의 사이즈를 최소화할 수 있다.
설정된 물 분사시간(A) 이후에, ECU(60)는 차단밸브(34) 및 분사밸브(36)를 폐쇄하고, 설정된 에어 퍼지시간(도 2의 "B"참조)동안에 에어 퍼지를 실행한다(S2).
에어 퍼지(S2)를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
에어 퍼지밸브(43)는 도 7과 같이 설정된 물 분사시간(A) 동안에 폐쇄되고(도 7의 '104' 참조), 물의 분사(S1)가 정지된 후에 에어 퍼지밸브(43)의 구동에 의한 1차 에어 퍼지(S2-1, 도 8 참조)가 설정된 1차 에어 퍼지시간(도 2의 "d" 참조) 실행될 수 있다.
ECU(60)가 에어 퍼지밸브(43)를 설정된 제1PWM 듀티사이클에 따라 제어함으로써 에어 퍼지밸브(43)의 개방 및 폐쇄는 설정된 1차 에어 퍼지시간(d)동안 반복적으로 실행될 수 있다(S2-1). 이에, 도 8에 도시된 바와 같이, 에어 탱크(42)로부터 에어가 에어 공급도관(41)을 거쳐 워터 인젝터(20) 및 워터 인젝터(20)에 연결된 워터 공급도관(31)의 내부로 공급될 수 있고, 이를 통해 워터 인젝터(20)와 소통하는 워터 공급도관(31)의 내부에 잔류하는 물은 에어 퍼지에 의해 배출될 수 있다(도 8의 '105' 참조).
1차 에어 퍼지(S2-1) 이후에 2차 에어 퍼지(S2-2)가 설정된 2차 에어 퍼지시간(도 2의 "e" 참조)동안에 실행될 수 있다.
ECU(60)가 에어 퍼지밸브(43)를 설정된 제2PWM 듀티사이클에 따라 제어함으로써 2차 에어 퍼지가 실행될 수 있다. 여기서, 2차 에어 퍼지의 제2PWM 듀티사이클이 1차 에어 퍼지의 제1PWM 듀티사이클 보다 클 수 있다. 예컨대, 제2PWM 듀티사이클이 90%이고, 제1PWM 듀티사이클은 50%일 수 있다.
또한, 2차 에어 퍼지시간(e)은 1차 에어 퍼지시간(d) 보다 길게 걸릴 수 있다.
이러한 2차 에어 퍼지(S2-2)를 통해, 도 9에 도시된 바와 같이, 에어 탱크(42)로부터 에어가 에어 공급도관(41)을 거쳐 워터 인젝터(20)의 내부로 공급될 수 있고, 이를 통해 EGR 가스의 역류에 의한 워터 인젝터(20)의 노즐 막힘이 방지될 수 있다(도 9의 '107' 참조).
이와 같이, 본 발명은 1차 에어 퍼지(S2-1) 및 2차 에어퍼지(S2-2)를 통해 워터 공급도관(31) 및 워터 인젝터(20)를 순차적으로 퍼지함으로써 물이 워터 공급도관(31) 및 워터 인젝터(20)에 잔류함을 방지할 수 있다.
에어 퍼지(S2) 이후에는 ECU(60)는 흡기 매니폴드(3d)에 고인 물의 양을 계산하고, 고인 물의 양이 설정된 임계치에 도달하면 드레인밸브(52)를 설정된 시간 동안에 개방함으로써 흡기 매니폴드(3d)에 고인 물을 워터 회수도관(51)을 통해 워터탱크(32)로 회수한다(S3).
ECU(60)는 워터 필링단계(특히, 2차 워터 필링단계(S1-2))에서 워터 인젝터(20)로부터 누설되는 물의 양과, 듀티 제어단계(S1-3)에서 워터 인젝터(20)가 물을 분사할 때 무화되지 못하고 흡기도관(2) 또는 흡기 매니폴드(3d)에 고인 물의 양과, 1차 에어퍼지(S2-1)단계에서 워터 공급도관(31)에서 배출되는 물의 양 등을 이용하여 고인 물의 양을 계산(예측)할 수 있다.
ECU(60)는 2차 워터 필링타임(b)과 2차 워터 필링단계에서 물이 채워지는 워터 공급도관(31)의 내부체적을 이용하여 2차 워터 필링단계에서 채워진 물의 양을 계산하고, 워터 탱크(32)로부터 공급된 물의 양에서 2차 워터 필링단계에서 채워진 물의 양(amount of filled water at second water filling step)을 차감함으로써 워터 인젝터(20)로부터 흡기도관(2) 또는 흡기매니폴드(3d)로 누설되는 물의 양을 계산할 수 있다.
듀티 제어단계(S1-3)에서 워터 인젝터(20)로부터 물이 분사될 때 물이 100% 무화된 상태로 실린더 내로 유입되지 못하고 유동특성 및 유속 저하 구간에서 벽류(wall wetting) 현상으로 인해 일부의 물이 흡기도관(2) 또는 흡기 매니폴드(3d)에 고일 수 있다. 이에 ECU(60)는 듀티 제어단계(S1-3)에서 고이는 물의 양은 분사량, 분사압력 및 분사시간에 따른 물의 양을 시험을 통해 계산할 수 있다.
ECU(60)는 1차 에어 퍼지시간(d)의 제1PWM 듀티사이클 및 워터 공급도관(31)의 내부체적 등을 이용하여 1차 에어 퍼지단계(S2-1) 시에 에어 퍼지에 의해 배출되는 물의 양을 계산할 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 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 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.
10: 워터 인젝션시스템 20: 워터 인젝터
30: 워터 공급회로 31: 워터 공급도관
32: 워터탱크 33: 워터 펌프
34: 차단밸브 35: 압력센서
36: 분사밸브 40: 퍼지회로
41: 에어 공급도관 42: 에어 탱크
43: 에어 퍼지밸브 50: 워터 회수회로
51: 워터 회수도관 52; 드레인밸브
53: 여과기 60: ECU
30: 워터 공급회로 31: 워터 공급도관
32: 워터탱크 33: 워터 펌프
34: 차단밸브 35: 압력센서
36: 분사밸브 40: 퍼지회로
41: 에어 공급도관 42: 에어 탱크
43: 에어 퍼지밸브 50: 워터 회수회로
51: 워터 회수도관 52; 드레인밸브
53: 여과기 60: ECU
Claims (15)
- 엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터;
워터 공급도관과, 상기 워터 공급도관의 상류단에 설치된 워터탱크와, 워터탱크의 하류 측에 배치된 차단밸브와, 차단밸브의 하류 측에 배치된 분사밸브를 가진 워터 공급회로;
에어 공급도관과, 상기 에어 공급도관의 상류단에 설치된 에어탱크와, 상기 에어탱크의 하류 측에 배치된 에어 퍼지밸브를 가진 퍼지회로;
상기 엔진의 흡기계로부터 물을 상기 워터탱크로 회수하도록 엔진의 흡기계와 워터탱크를 연결하는 워터 회수도관과, 워터 회수도관에 개폐가능하게 설치된 드레인밸브를 가진 워터 회수회로; 및
상기 워터 공급회로, 상기 퍼지회로, 상기 워터 회수회로를 제어하는 ECU를 포함하고,
상기 워터 회수회로는 상기 엔진의 흡기계에 고인 물의 양이 설정된 임계치(predetermined threshold)에 도달하면 상기 드레인밸브를 개방함으로써 엔진의 흡기계에서 물을 회수하도록 구성되고,
상기 분사밸브는 상기 차단밸브 및 상기 워터 인젝터 사이에 배치되고, 상기 분사밸브는 PWM 듀티 사이클에 따라 구동하도록 구성된 워터 인젝션시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 차단밸브는 물 분사지속시간 동안에 연속적으로 개방되도록 구성되는 워터 인젝션시스템. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 ECU는 차단밸브 및 분사밸브를 일정시간 간격으로 개별적으로 제어함으로써 상기 워터 공급도관의 내부에 물을 채운 후에 상기 워터 인젝터가 물을 분사하도록 구성되는 워터 인젝션시스템. - 청구항 1에 있어서,
상기 에어 퍼지밸브는 PWM 듀티 사이클에 따라 구동하는 워터 인젝션시스템. - 엔진의 흡기계 측으로 물을 분사하는 워터 인젝터; 워터 공급도관과, 상기 워터 공급도관의 상류단에 설치된 워터탱크와, 워터탱크의 하류 측에 배치된 차단밸브와, 차단밸브의 하류 측에 배치된 분사밸브를 가진 워터 공급회로; 에어 공급도관과, 상기 에어 공급도관의 상류단에 설치된 에어탱크와, 상기 에어탱크의 하류 측에 배치된 에어 퍼지밸브를 가진 퍼지회로; 상기 엔진의 흡기계로부터 물을 상기 워터탱크로 회수하도록 엔진의 흡기계와 워터탱크를 연결하는 워터 회수도관과, 워터 회수도관에 개폐가능하게 설치된 드레인밸브를 가진 워터 회수회로; 및 상기 워터 공급회로, 상기 퍼지회로, 상기 워터 회수회로를 제어하는 ECU를 포함하는 워터 인젝션시스템의 제어방법으로,
워터탱크로부터 공급된 물을 워터 인젝터에 의해 엔진의 흡기계로 설정된 물 분사시간 동안에 분사하는 물 분사단계;
물 분사시간 이후에 위해 상기 워터 인젝터를 설정된 에어 퍼지시간 동안에 에어에 의해 퍼지하는 에어 퍼지단계; 및
상기 엔진의 흡기계에 고인 물의 양이 상기 엔진의 흡기계에 고인 물의 양이 설정된 임계치(predetermined threshold)에 도달하면 상기 드레인밸브를 설정된 시간 동안에 개방함으로써 물을 워터 탱크로 회수하는 물 회수단계;를 포함하고,
상기 분사밸브는 상기 차단밸브 및 상기 워터 인젝터 사이에 배치되고, 상기 분사밸브는 PWM 듀티 사이클에 따라 구동하도록 구성되는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 물 분사단계에서 상기 차단밸브를 물 분사시간 동안에 연속적으로 개방하는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 7에 있어서,
상기 물 분사단계에서, 상기 차단밸브를 개방하고 상기 분사밸브를 설정된 1차 워터 필링타임 동안에 폐쇄함으로써 워터 공급도관이 워터 탱크로부터 흘러나온 물로 분사밸브의 입구까지 채워지는 1차 워터 필링단계를 실행하는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 8에 있어서,
상기 물 분사단계에서, 상기 1차 워터 필링타임 이후에 설정된 2차 워터 필링타임 동안에 상기 분사밸브를 개방함으로써 상기 워터 공급도관은 상기 워터 탱크로부터 흘러나온 물로 워터 인젝터까지 채워지는 2차 워터 필링단계를 실행하는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 9에 있어서,
상기 물 분사단계에서, 상기 2차 워터 필링단계 이후에, 상기 분사밸브를 설정된 PWM 듀티사이클에 따라 제어함으로써 상기 분사밸브의 개방 및 폐쇄가 설정된 시간 동안 반복적으로 구동되는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 에어 퍼지단계는, 상기 물 분사단계 이후에 차단밸브 및 분사밸브를 폐쇄하고, 상기 에어 퍼지밸브를 설정된 제1PWM 듀티사이클에 따라 제어함으로써 에어 퍼지밸브의 개방 및 폐쇄가 설정된 1차 에어 퍼지시간 동안 반복적으로 실행되는 1차 에어퍼지를 실행하는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 1차 에어 퍼지시간 이후에 상기 에어 퍼지밸브를 설정된 제2PWM 듀티사이클에 따라 제어함으로써 설정된 2차 에어 퍼지시간 동안에 2차 에어 퍼지를 실행하는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 제2PWM 듀티사이클은 상기 제1PWM 듀티사이클 보다 크게 설정되는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 12에 있어서,
상기 2차 에어 퍼지시간이 상기 1차 에어 퍼지시간 보다 길게 설정되는 워터 인젝션시스템의 제어방법. - 청구항 11에 있어서,
상기 2차 워터 필링단계에서 워터 인젝터로부터 누설되는 물의 양과, 워터 인젝터가 물을 분사할 때 무화되지 못하여 흡기계에 고인 물의 양과, 상기 1차 에어 퍼지시간 동안에 워터 공급도관에서 배출되는 물의 양을 이용하여 상기 흡기계에 고인 물의 양을 계산하는 워터 인젝션시스템의 제어방법.
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Comment text: Notification of reason for refusal Patent event date: 20220106 Patent event code: PE09021S01D |
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