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KR20210074714A - 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치 - Google Patents

차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치 Download PDF

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KR20210074714A
KR20210074714A KR1020190165713A KR20190165713A KR20210074714A KR 20210074714 A KR20210074714 A KR 20210074714A KR 1020190165713 A KR1020190165713 A KR 1020190165713A KR 20190165713 A KR20190165713 A KR 20190165713A KR 20210074714 A KR20210074714 A KR 20210074714A
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김한상
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현대자동차주식회사
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Abstract

본 발명은 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치에 관한 것으로, 엔진의 시동 시에 EGR 쿨러에서 워터펌프로 공급되는 냉각수의 온도를 적정 온도까지 상승시키는데 걸리는 웜업시간을 단축시켜 결과적으로 EGR 쿨러에 공급되는 냉각수의 웜업시간을 단축시킬 수 있는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.

Description

차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치 {Cooling water flow control device of cooling system for vehicle}
본 발명은 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치에 관한 것으로, 상세하게는 엔진 시동 시 EGR 쿨러를 조기 사용 가능토록 하여 연비 개선을 도모할 수 있는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치에 관한 것이다.
일반적으로 EGR 쿨러(Exhaust Gas Recirculation Cooler)는 엔진 배기가스를 흡기 계통으로 재순환시키는 과정에서 배기가스의 온도를 낮추는 역할을 한다. EGR 쿨러를 거쳐서 엔진으로 공급된 배기가스는 재연소를 거치게 되며, 이에 의해 배기가스에 포함되어 있는 질소산화물이 연소되면서 차량 외부로 배출되는 배기가스의 유해물질을 저감시킬 수 있게 된다.
이러한 EGR 쿨러는 엔진 냉각에 사용되는 냉각수를 이용하여 배기가스를 냉각시킨다. 이를 위해 상기 EGR 쿨러는 워터펌프를 통해 공급되는 냉각수와 배기 계통에서 공급되는 배기가스 간에 열교환이 가능하도록 구성된다.
종래의 EGR 쿨러는 고온의 배기가스에 대한 내구성을 확보하기 위해 엔진 시동시 엔진에 냉각수가 순환되기 전부터 냉각수가 순환될 수 있으며, 이때 EGR 쿨러에 순환되는 냉각수는 엔진 내부의 워터자켓에 저장되어 있는 냉각수보다 낮은 온도를 가진다.
이러한 EGR 쿨러는 엔진 내부의 냉각수 온도보다 낮은 온도의 냉각수가 엔진 시동 초기부터 상시 순환되며, 그로 인해 EGR 쿨러측 냉각수의 웜업시간이 길어지게 된다.
한편, 상기 EGR 쿨러에 순환되는 냉각수 온도가 차가운 상태의 소정 온도 이하인 경우 EGR 쿨러내에 응축수가 생성되며, 심한 경우 응축수가 EGR 쿨러내에 고일 정도로 다량 생성된다.
상기 EGR 쿨러내에 생성되는 응축수는 고농도의 산성 응축수이기 때문에 EGR 쿨러 내부에 부식을 유발하며, 상기 EGR 쿨러의 내부가 부식되면 엔진으로 공급되는 재순환 배기가스에 냉각수가 혼입되어 엔진 페일(fail)을 유발할 수 있어 매우 위험하다.
이에 따라 종래의 EGR 시스템은 EGR 쿨러의 냉각수 온도가 상기 소정 온도 이하일 때는 EGR 쿨러를 미작동하며, 이와 같이 EGR 쿨러의 사용이 불가한 경우 EGR 쿨러의 작동에 따른 차량의 연비 개선 또한 불가한 문제가 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 엔진의 시동 시에 EGR 쿨러에서 워터펌프로 공급되는 냉각수의 온도를 적정 온도까지 상승시키는데 걸리는 웜업시간을 단축시켜 결과적으로 EGR 쿨러에 공급되는 냉각수의 웜업시간을 단축시킬 수 있는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치를 제공하는데 목적이 있다.
이를 위해 상기 냉각수 유동 제어 장치는 엔진 시동 시 일정시간 동안 엔진의 내부에서 배출되는 냉각수의 일부를 EGR 쿨러의 냉각수 출구쪽으로 공급할 수 있도록 구성된다.
상기의 목적을 달성하기 위해 본 발명에서는, 엔진 흡기계로 재순환되는 배기가스를 냉각수를 이용하여 냉각시키며, 냉각수 배출을 위한 EGR 쿨러 출구가 구비되는 EGR 쿨러; 냉각수 배출을 위한 엔진 출구와 벤트홀이 구비되는 엔진; 엔진 시동이 걸릴 때 상기 EGR 쿨러와 엔진으로 냉각수를 순환시키는 워터펌프; 상기 벤트홀에 연결되어 상기 벤트홀에서 상기 EGR 쿨러 출구의 하류쪽으로 냉각수를 유동시키는 다이렉트 유로;를 포함하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치를 제공한다.
구체적으로 상기 냉각수 유동 제어 장치는 다음과 같은 특징이 있다. 먼저 상기 다이렉트 유로에는 다이렉트 유로를 개폐할 수 있는 유동제어밸브가 설치될 수 있고, 상기 유동제어밸브는 엔진 시동이 걸릴 때 개방 모드로 작동되며 상기 엔진 시동이 걸릴 때의 외기온도가 설정된 제1 온도 미만이면 폐쇄 작동될 수 있다. 또한 상기 유동제어밸브는 엔진 시동이 걸릴 때의 외기온도가 상기 제1 온도 이상이면 개방 작동될 수 있다.
그리고 상기 엔진 출구의 하류에는 냉각수의 열 관리를 위한 열관리모듈이 설치될 수 있고, 상기 엔진 출구에서 배출된 냉각수는 상기 열관리모듈을 거쳐서 워터펌프로 유동될 수 있다. 상기 열관리모듈은, 상기 엔진 출구와 라디에이터 사이에 설치되는 제1 밸브부재와 상기 엔진 출구와 히터 사이에 설치되는 제2 밸브부재 및 상기 엔진 출구와 변속기오일 쿨러 사이에 설치되는 제3 밸브부재로 구성될 수 있다.
상기 유동제어밸브는 제어기에 의해 제어되며, 상기 제어기는 엔진 시동이 걸릴 때의 외기온도가 상기 제1 온도 미만이고 상기 히터가 작동 중이면 상기 유동제어밸브를 폐쇄 작동시키는 동시에 상기 제2 밸브부재를 개방시킴에 의해 엔진에서 배출되는 냉각수를 히터쪽으로 유동시킬 수 있다.
아울러 상기 제어기는, 주행중 상기 EGR 쿨러의 냉각수 온도가 설정된 제3 온도 이상으로 과열되면 EGR 쿨러의 작동을 중단시키고 상기 유동제어밸브를 폐쇄 모드로 작동시킬 수 있으며, 또한 주행중 EGR 쿨러의 냉각수 온도가 상기 제3 온도 이상이더라도 상기 열관리모듈의 밸브부재들이 스턱되면 상기 유동제어밸브를 개방 작동시킬 수 있다.
본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치에 의하면, 엔진의 시동 시에 엔진의 내부에서 배출되는 냉각수(초기 냉각수)를 다이렉트 유로를 이용하여 EGR 쿨러의 냉각수 출구쪽으로 유동시킬 수 있으며, 그에 따라 EGR 쿨러에 순환되는 냉각수의 웜업시간을 단축시킬 수 있게 된다.
상기 EGR 쿨러의 냉각수 웜업시간이 단축됨에 따라 EGR 쿨러의 작동 개시 시간이 단축되어 엔진 시동 시 EGR 쿨러를 조기 사용가능하게 되며, 결과적으로 엔진 시동이 걸릴 때 EGR 쿨러를 이용한 연비 개선 운전을 조기에 실행할 수 있도록 하여 엔진 효율 및 차량 연비를 향상시킬 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 냉각수 유동 제어 장치를 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각수 유동 제어 장치를 나타낸 도면
도 3은 엔진 시동 시 냉각수 유동 제어 방법을 나타낸 도면
도 4는 EGR 시스템을 나타낸 개략도
도 5는 주행중 냉각수 유동 제어 방법을 나타낸 도면
도 6은 냉각수의 웜업시간 단축 효과를 보여주는 실험 결과 그래프
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치는 차량의 엔진 시동이 걸릴 때 EGR 쿨러에 공급되는 냉각수의 웜업(Warm-Up) 시간을 단축시킬 수 있도록 구성된다.
상기 냉각수 유동 제어 장치는, 엔진의 시동 시에 EGR 쿨러에서 배출되어 워터펌프로 공급되는 냉각수의 웜업시간을 단축시킴에 의해 결과적으로 상기 EGR 쿨러의 작동 개시 시간을 단축하고 상기 EGR 쿨러의 작동에 따른 연비 개선 운전이 조기에 가능토록 한다.
이를 위해 상기 냉각수 유동 제어 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이, 엔진 시동이 걸릴 때 엔진(1)에서 배출되는 냉각수의 일부를 EGR 쿨러(2)의 냉각수 출구(이하, 'EGR 쿨러 출구'라고 함)(21)쪽으로 공급할 수 있도록 구성된다.
도 1에 보듯이, 차량용 냉각 시스템은 하나의 워터펌프(3)를 이용하여 엔진(1) 및 EGR 쿨러(2)에 냉각수를 순환시킬 수 있다.
상기 EGR 쿨러 출구(21)는, 그 사이에 배치되는 별도의 구성요소 없이, 워터펌프(3)의 냉각수 입구(이하, '펌프 입구'라고 함)(31)에 직접 연결된다. 즉, 상기 EGR 쿨러 출구(21)와 펌프 입구(31)는 그 사이에 배치되는 냉각수 유로를 통해 직접적으로 연결된다.
상기 엔진(1)의 냉각수 출구(이하, '엔진 출구'라고 함)(122)는 열관리모듈(Thermal Management Module, TMM)(4) 및 열제어장치 등을 통해 상기 펌프 입구(31)에 연결된다. 따라서 엔진(1)의 시동 시 상기 엔진(1)에서 배출되는 냉각수는 EGR 쿨러(2)에서 배출되는 냉각수보다 상대적으로 늦게 펌프 입구(31)에 도달하게 된다.
즉, 엔진(1)의 시동이 시작될 때 엔진 출구(122)에서 배출되는 냉각수보다 상기 EGR 쿨러 출구(21)에서 배출되는 냉각수가 상대적으로 빠르게 펌프 입구(31)에 도달하게 된다.
이에 상기 냉각수 유동 제어 장치는, 엔진 시동이 시작될 때 엔진(1)의 내부에서 배출되는 냉각수(이하, '초기 냉각수'라고 함)의 일부를 EGR 쿨러 출구(21)의 후단(즉, EGR 쿨러 출구의 하류)쪽으로 유동시킬 수 있게 구성됨으로써 결과적으로 EGR 쿨러(2)에 유입되는 냉각수의 웜업시간을 단축시킬 수 있게 된다.
즉, 상기 냉각수 유동 제어 장치는, EGR 쿨러(2)에서 배출되는 냉각수보다 상대적으로 높은 온도를 가지는 상기 초기 냉각수에 의해 상기 EGR 쿨러(2)에서 배출되는 냉각수의 웜업시간을 단축시킬 수 있으며, 그에 따라 엔진 시동이 걸릴 때 종래의 응축수 생성과 같은 문제 발생 없이 EGR 쿨러(2)를 조기에 사용할 수 있게 되며, 상기 EGR 쿨러(2)의 작동에 따른 연비개선 효과를 확보할 수 있게 된다.
도 1에 도시된 EGR 쿨러(2)는 엔진(1)의 시동 초기부터 냉각수가 상시 순환되며, 상기 EGR 쿨러(2)에 순환되는 냉각수의 온도는 엔진(1)의 내부에서 배출되는 상기 초기 냉각수의 온도보다 낮다. 또한 상기 EGR 쿨러(2)의 냉각수 유량은 오직 엔진 회전수에 따라 제어된다.
엔진(1)의 내부에서 배출되는 초기 냉각수가 EGR 쿨러 출구(21)의 하류쪽으로 공급됨에 의해, EGR 쿨러(2)에 순환되는 냉각수의 웜업시간이 단축될 수 있다.
도 1에 표시된 도면부호 5는 다이렉트 유로(5)이다. 상기 다이렉트 유로(5)는 엔진(1)에서 배출되는 초기 냉각수의 일부를 EGR 쿨러 출구(21)의 하류쪽으로 유동시킬 수 있도록 구성된다. 상기 초기 냉각수의 나머지 일부는 엔진 출구(122)를 통해 열관리모듈(4)쪽으로 유동될 수 있다.
상기 다이렉트 유로(5)는 엔진(1)의 벤트홀(111)과 EGR 쿨러 출구(21) 사이에 연결되는 유로이다. 상기 다이렉트 유로(5)는 벤트홀(111)과 EGR 쿨러 출구(21) 사이에 배치되어서 상기 벤트홀(111)을 통해 배출되는 냉각수를 상기 EGR 쿨러 출구(21)의 하류쪽으로 유동시킬 수 있게 된다.
상기 다이렉트 유로(5)는 엔진(1)의 열관리모듈(4) 및 열제어장치를 거치지 않고 상기 초기 냉각수를 펌프 입구(31)까지 직접 유동시킬 수 있으며, 그에 따라 상기 초기 냉각수가 펌프 입구(31)에 도달하기까지의 유동 경로를 단축시킬 수 있다. 즉, 상기 다이렉트 유로(5)에 의해 상기 초기 냉각수의 유동 경로가 단축되며, 상기 초기 냉각수는 상기 다이렉트 유로(5)에 의해 펌프 입구(31)까지 곧바로 유동될 수 있게 된다.
상기 벤트홀(111)은 엔진(1)의 냉각수 배출을 위한 것으로서 상기 엔진 출구(122)와 별도로 엔진(1)에 구비된다. 도 2에 나타낸 바와 같이 상기 벤트홀(111)은 엔진 헤드(11)에 가공되어 구비될 수 있고 상기 엔진 출구(122)는 엔진 블록(12)에 구비될 수 있다. 상기 벤트홀(111)은, 엔진(1)의 시동이 꺼질 때 엔진 내부의 냉각수 유로(즉, 워터자켓)에 보관된 냉각수(즉, 초기 냉각수)를, 다시 엔진 시동이 걸릴 때 다이렉트 유로(5)를 통해 EGR 쿨러 출구(21)의 하류쪽으로 내보내게 된다. 즉, 상기 벤트홀(111)은 상기 워터자켓(13)과 연통되어서 상기 워터자켓(13)에 보관되어 있던 상기 초기 냉각수를 다이렉트 유로(5)쪽으로 배출시킬 수 있다.
상기 워터자켓(13)에 남아있던 냉각수는, 엔진(1)의 시동이 걸릴 때 워터펌프(3)에 의해 상기 엔진 출구(122) 및 벤트홀(111)을 통해 엔진(1) 밖으로 배출되게 된다. 상기 워터자켓(13)에 저장되어 있는 상기 초기 냉각수는 워터펌프(3)의 구동 시에 워터자켓(13) 밖으로 배출될 수 있다.
상기 워터자켓(13)은 엔진 블록(12)과 상기 엔진 블록(12)의 연소실들을 덮는 엔진 헤드(11)에 구비된다(도 2 참조). 상기 워터자켓(13)은, 연소실들의 외측에 배치되어 각각의 연소실을 감쌀 수 있도록 형성되며, 냉각수 유입을 위한 냉각수 입구(이하, '엔진 입구'라고 함)(121)와 상기 엔진 출구(122)가 구비된다. 이때 상기 엔진 입구(121)와 엔진 출구(122)는 엔진 블록(12)에 배치되어 있다.
그리고 도 2에 보듯이, 상기 다이렉트 유로(5)에는 유동제어밸브(51)가 설치될 수 있다. 상기 유동제어밸브(51)는 다이렉트 유로(5)를 개폐할 수 있도록 구성되어 다이렉트 유로(5)에서의 냉각수 유동 및 유량을 제어할 수 있다. 상기 유동제어밸브(51)는 벤트홀(111)에서 EGR 쿨러 출구(21)쪽으로 유동되는 냉각수의 흐름을 제어할 수 있다. 상기 유동제어밸브(51)는 벤트홀(111)에서 EGR 쿨러 출구(21)쪽으로만 냉각수 유동을 허용하는 원웨이 밸브이다. 상기 유동제어밸브(51)는 차량내에 구비되는 제어기(6)에 의해 개도량이 제어될 수 있다. 상기 제어기(6)는 차량의 엔진 시스템을 제어하는 엔진 제어기일 수 있다.
상기 유동제어밸브(51)는 엔진 시동이 걸릴 때 상기 제어기(6)에 의해 오픈 작동되어 다이렉트 유로(5)를 개방시킬 수 있다. 즉, 상기 제어기(6)는 엔진(1)의 시동이 감지되면 상기 유동제어밸브(51)를 개방 작동시켜 다이렉트 유로(5)에 상기 초기 냉각수가 흐르게 할 수 있다.
또한 상기 제어기(6)는 엔진 시동 시의 외기온도에 따라 유동제어밸브(51)의 개폐 작동을 제어할 수 있다.
구체적으로 상기 제어기(6)는 외기온도가 설정된 제1 온도(T1) 이상이면 상기 유동제어밸브(51)를 개방시킬 수 있다(도 3 참조). 상기 외기온도는 차량에 설치된 외기온센서에 의해 검출될 수 있다.
외기온도가 낮을 때 EGR 쿨러(2)에 의해 냉각된 배기가스(즉, EGR 가스)가 엔진(1)으로 공급되는 경우, 엔진(1)의 흡기계에 응축수가 생성될 수 있다. 상기 흡기계에는 흡기 압력을 검출하는 센서가 구비되어 있는데, 상기 센서에 응축수가 생겨 결빙되는 경우 흡기 압력을 검출하지 못하는 문제가 초래된다.
이에 상기 제어기(6)는 외기온도가 상기 제1 온도(T1) 이상일 때에만 유동제어밸브(51)를 개방시켜 엔진(1)의 흡기계에 응축수가 다량 생성되는 것을 방지할 수 있다.
즉, 상기 제어기(6)는 엔진 시동이 걸릴 때에 검출된 외기온도가 상기 제1 온도(T1) 미만이면 상기 유동제어밸브(51)를 폐쇄 모드로 작동시킬 수 있다(도 3 참조).
상기 유동제어밸브(51)가 개방 작동될 때 엔진의 초기 냉각수는 다이렉트 유로(5)를 통해 벤트홀(111)에서 EGR 쿨러 출구(21)쪽으로 유동될 수 있고, 상기 유동제어밸브(51)가 폐쇄 작동될 때 상기 다이렉트 유로(5)는 냉각수 유동이 차단된다. 상기 유동제어밸브(51)에 의해 다이렉트 유로(5)의 냉각수 유동이 차단될 때에 상기 벤트홀(111)에서 배출되는 초기 냉각수는 EGR 쿨러 출구(21)쪽으로 유동되지 않는다.
도 2에 보듯이, 엔진 출구(122)에는 냉각수의 온도와 외기온도 등에 따라 제어될 수 있는 열관리모듈(4)이 연결된다. 상기 열관리모듈(4)은 엔진에 순환되는 냉각수의 열 관리를 위해 엔진 출구(122)의 하류에 배치될 수 있다. 상기 열관리모듈(4)은 복수의 밸브부재(41,42,43)와 열관리모듈(4)의 하류에 배치되는 열제어장치를 이용하여 상기 냉각수의 열 관리를 할 수 있다. 상기 열제어장치는 엔진 출구(122)의 하류에 배치되는 라디에이터(44)와 히터(45) 및 변속기오일 쿨러(46)로 구성될 수 있다.
상기 열관리모듈(4)은 엔진 출구(122)에서 배출되는 냉각수의 유동을 제어할 수 있는 복수의 밸브부재(41,42,43)를 포함하여 구성될 수 있다. 상기 복수의 밸브부재(41,42,43)는 제1 밸브부재(41)와 제2 밸브부재(42) 및 제3 밸브부재(43)일 수 있다.
상기 제1 밸브부재(41)는 엔진 출구(122)와 라디에이터(44) 사이에 연결되는 유로에 설치될 수 있다. 즉, 상기 제1 밸브부재(41)는 라디에이터(44)의 상류에 배치되어 엔진 출구(122)에서 라디에이터(44)쪽으로 유동되는 냉각수의 유량을 제어할 수 있다.
상기 제2 밸브부재(42)는 엔진 출구(122)와 히터(45) 사이에 연결되는 유로에 설치될 수 있다. 즉, 상기 제2 밸브부재(42)는 히터(45)의 상류에 배치되어 엔진 출구(122)에서 히터(45)쪽으로 유동되는 냉각수의 유량을 제어할 수 있다.
상기 제3 밸브부재(43)는 엔진 출구(122)와 변속기오일 쿨러(46) 사이에 연결되는 유로에 설치될 수 있다. 즉, 상기 제3 밸브부재(43)는 변속기오일 쿨러(46)의 상류에 배치되어 엔진 출구(122)에서 변속기오일 쿨러(46)쪽으로 유동되는 냉각수의 유량을 제어할 수 있다.
상기 밸브부재(41,42,43)들은 제어기(6)로부터 제어신호를 전송받아 개도량이 제어될 수 있다. 상기 제어기(6)는 냉각수의 온도 및 외기온도에 따라 밸브부재(41,42,43)들의 개폐 작동을 제어할 수 있다. 즉, 상기 열관리모듈(4)은 냉각수의 온도 및 외기온도에 따라 밸브부재(41,42,43)들의 작동이 제어될 수 있다. 상기 냉각수의 온도는 수온센서(WTS)에 의해 검출되어 제어기(6)로 전송될 수 있다.
상기 수온센서는 엔진 흡기계에 설치되어 엔진(1)으로 유입되는 냉각수의 온도를 측정하거나 또는 엔진 출구(122)와 열관리모듈(4) 사이의 냉각수 유로에 설치되어 엔진 출구(122)에서 배출되는 냉각수의 온도를 검출할 수 있다.
상기 제어기(6)는 밸브부재(41,42,43)들의 개폐 작동을 제어함에 의해 엔진 출구(122)에서 배출된 냉각수의 유동을 제어할 수 있다. 상기 제어기(6)는 제1 내지 제3의 밸브부재(41,42,43)들을 모두 폐쇄시켜 엔진(1)에 순환되는 냉각수의 유동을 정지시킬 수 있다.
또한 상기 제어기(6)는 제1 내지 제3의 밸브부재(41,42,43)들 중 선택된 하나의 밸브부재 또는 둘 이상의 밸브부재를 개방시킴에 의해 엔진 출구(122)에서 배출되는 냉각수를 엔진 입구(121)쪽으로 유동시킬 수 있다.
라디에이터(44)쪽으로 유동된 냉각수는 라디에이터(44)를 통과하면서 냉각된 뒤 엔진 출구(122)쪽으로 유동될 수 있다. 히터(45)쪽으로 유동된 냉각수는 히터(45)에 의해 가열된 뒤 엔진 출구(122)쪽으로 유동될 수 있다. 그리고 변속기오일 쿨러(46)쪽으로 유동된 냉각수는 변속기오일(ATF, Automatic Transmission Fluid)과의 열교환을 통해 가열될 수 있다. 상기 변속기오일 쿨러(46)는 냉각수를 이용하여 변속기오일을 냉각시키도록 구성된 열교환기일 수 있다.
상기 라디에이터(44)와 히터(45) 및 변속기오일 쿨러(46)의 하류에는 워터펌프(3)가 배치된다. 상기 워터펌프(3)는 엔진의 시동이 걸릴 때 구동될 수 있다. 상기 워터펌프(3)의 구동이 시작될 때 상기 열관리모듈(4)에 의해 엔진 출구(122)쪽에 냉각수 유동이 차단되는 경우, EGR 쿨러(2)에만 냉각수가 순환되고 엔진(1)에는 냉각수가 순환되지 않을 수 있다.
여기서 도 3 내지 5를 참조하여 엔진 시동 시 냉각수 유동 제어 방법을 좀더 설명하도록 한다.
도 3에 나타낸 바와 같이 상기 제어기(6)는, 엔진 시동이 걸릴 때에 외기온도가 제1 온도(T1) 미만이면, EGR 밸브(22)를 폐쇄 모드로 작동시킨다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 상기 EGR 쿨러(2)는 엔진(1)에서 배출되어 엔진 흡기계(7)로 재순환되는 배기가스를 냉각시키게 되며, 상기 EGR 쿨러(2)에 의해 냉각된 배기가스(즉, EGR 가스)는 EGR 밸브(22)를 통과하여 엔진 흡기계(7)로 유동될 수 있다. 이때 상기 EGR 밸브(22)에 의해 엔진 흡기계(7)로 공급되는 EGR 가스의 유량이 제어될 수 있다.
상기 제1 온도(T1)는 외기온도가 낮음으로 인해 엔진 흡기계(7)에 다량의 응축수가 발생하여 결빙될 우려가 있는 온도값으로 설정될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 온도(T1)는 10℃일 수 있다. 엔진(1)으로 공급되는 외기(즉, 흡기)의 온도가 상기 제1 온도(T1) 미만인 경우, 상기 흡기와 EGR 밸브(22)를 통해 엔진 흡기계(7)로 공급되는 배기가스(즉, EGR 가스) 간에 온도 차이에 의해 엔진 흡기계(7)에 다량의 응축수가 생성되어 결빙될 수 있다.
좀더 말하면, 엔진 흡기계(7)의 흡기매니폴드는 EGR 쿨러(2)를 거쳐 엔진 흡기계(7)로 재순되는 EGR 가스에 의해 응축수가 생성될 수 있다. 외기온도가 상기 제1 온도(T1) 미만인 경우, 상기 EGR 가스와 흡기 간에 온도 차이에 의해 흡기매니폴드에 다량의 응축수가 생성되어 결빙되며, 그에 따라 상기 흡기매니폴드에 설치되어 있는 흡기압력센서가 결빙되어 상기 흡기압력센서의 정상 작동이 불가능하게 된다.
따라서 외기온도가 상기 제1 온도(T1) 미만인 경우, 제어기(6)는 상기 흡기압력센서의 결빙 현상을 방지하기 위해 상기 EGR 쿨러(2)를 미작동시킬 수 있으며, EGR 쿨러(2)의 미작동시 EGR 쿨러(2)측으로 공급되는 냉각수의 웜업은 불필요하므로 유동제어밸브(51)를 폐쇄 모드로 작동시킨다.
또한 상기 제어기(6)는, 엔진 시동이 걸릴 때 외기온도가 상기 제1 온도(T1) 미만이고 히터(45)가 구동 중이면, 유동제어밸브(51)를 폐쇄 작동시켜 다이렉트 유로(5)에 초기 냉각수의 유동을 차단시키는 동시에 제2 밸브부재(42)를 개방 작동시켜 히터(45)쪽으로 초기 냉각수를 유동시킨다.
다시 말해, 상기 제어기(6)는 엔진 시동 시의 외기온도가 제1 온도(T1) 미만일 때 히터(45)가 작동 중이면 유동제어밸브(51)를 폐쇄 작동시키고 열관리모듈(4)의 제2 밸브부재(42)를 개방 작동시킬 수 있다. 이때 상기 초기 냉각수는 엔진 출구(122)를 통해 엔진(1)에서 배출되어 히터(45)쪽으로 유동되며, 상기 히터(45)에 의해 가열되어 펌프 입구(31)로 유동될 수 있다. 상기 히터(45)에 의해 가열된 초기 냉각수는 워터펌프(3)에 의해 엔진 입구(121)로 유동될 수 있으며, 냉각수의 웜업시간을 크게 단축시킬 수 있다.
한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 냉각수의 웜업이 완료된 이후 차량의 주행 중에 검출된 냉각수의 온도가 설정된 제3 온도(T3) 이상이 되면, 상기 제어기(6)는 유동제어밸브(51)를 폐쇄 작동시킨다.
냉각수가 주행 중에 엔진(1) 및 EGR 쿨러(2) 등에서 가열되어 냉각수의 온도가 제3 온도(T3) 이상으로 과열되면, EGR 쿨러(2)의 열전달율(즉, 전열량)이 매우 낮은 수준(예를 들어, 5% 정도)으로 떨어질 수 있다. 여기서 상기 제3 온도(T3)는 예를 들어 110℃ 일 수 있다.
주행중 EGR 쿨러(2)의 전열량이 매우 낮은 수준으로 감소되는 경우 EGR 쿨러(2)의 작동이 불필요한 것으로 판단할 수 있으며, 이렇게 EGR 쿨러(2)의 작동이 불필요한 경우 다이렉트 유로(5)를 개방할 필요가 없다.
따라서, EGR 쿨러(2)의 냉각수 온도가 상기 제3 온도(T3) 이상으로 상승하면, 제어기(6)는 상기 EGR 쿨러(2)의 작동을 중단시키는 동시에 유동제어밸브(51)를 폐쇄 모드로 작동시켜 냉각수가 다이렉트 유로(5)를 통해 EGR 쿨러(2)측으로 유동되는 것을 차단한다.
그리고, 주행중 열관리모듈(4)의 밸브부재(41,42,43)들이 모두 스턱(STUCK)되어 열관리모듈(4)을 통한 냉각수 유동이 불가능한 경우, 상기 제어기(6)는 냉각수 온도가 상기 제3 온도(T3) 이상이더라도 유동제어밸브(51)를 개방 모드로 작동시켜 냉각수 순환을 통해 엔진(1)의 과열을 방지할 수 있도록 한다.
첨부된 도 6은 다이렉트 유로(5)를 이용하여 냉각수를 웜업시킴에 의해 냉각수의 웜업시간이 단축되는 효과를 보여주는 실험 결과 그래프이다.
도 6에 나타낸 바와 같이, 다이렉트 유로(5)를 통해 EGR 쿨러 출구(21)쪽으로 엔진의 초기 냉각수를 유동시키는 경우, 다이렉트 유로(5)를 미적용하는 경우 대비 EGR 쿨러(2)측 냉각수의 웜업시간이 단축될 수 있으며, 또한 웜업 이후의 초기구간에서 냉각수의 온도가 더 높게 유지될 수 있다. 웜업 이후의 초기구간에서 냉각수의 온도가 더 높게 유지되는 경우 엔진의 마찰손실이 저감되어 연비가 개선될 수 있다.
1 : 엔진 11 : 엔진 헤드
111 : 벤트홀 12 : 엔진 블록
121 : 엔진 입구 122 : 엔진 출구
13 : 워터자켓 2 : EGR 쿨러
21 : EGR 쿨러 출구 22 : EGR 밸브
3 : 워터펌프 31 : 펌프 입구
4 : 열관리모듈 41 : 제1 밸브부재
42 : 제2 밸브부재 43 : 제3 밸브부재
44 : 라디에이터 45 : 히터
46 : 변속기오일 쿨러 5 : 다이렉트 유로
51 : 유동제어밸브 6 : 제어기
7 : 엔진 흡기계

Claims (9)

  1. 엔진 흡기계로 재순환되는 배기가스를 냉각수를 이용하여 냉각시키며, 냉각수 배출을 위한 EGR 쿨러 출구가 구비되는 EGR 쿨러;
    냉각수 배출을 위한 엔진 출구와 벤트홀이 구비되는 엔진;
    엔진 시동이 걸릴 때 상기 EGR 쿨러와 엔진으로 냉각수를 순환시키는 워터펌프;
    상기 벤트홀에 연결되어 상기 벤트홀에서 상기 EGR 쿨러 출구의 하류쪽으로 냉각수를 유동시키는 다이렉트 유로;
    를 포함하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 다이렉트 유로에는 다이렉트 유로를 개폐할 수 있는 유동제어밸브가 설치되고, 상기 유동제어밸브는 엔진 시동이 걸릴 때 개방 모드로 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 유동제어밸브는 엔진 시동이 걸릴 때의 외기온도가 설정된 제1 온도 미만이면 폐쇄 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 유동제어밸브는 엔진 시동이 걸릴 때의 외기온도가 상기 제1 온도 이상이면 개방 작동되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 엔진 출구의 하류에는 냉각수의 열 관리를 위한 열관리모듈이 설치되고, 상기 엔진 출구에서 배출된 냉각수는 상기 열관리모듈을 거쳐서 워터펌프로 유동되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 열관리모듈은,
    상기 엔진 출구와 라디에이터 사이에 설치되는 제1 밸브부재와;
    상기 엔진 출구와 히터 사이에 설치되는 제2 밸브부재; 및
    상기 엔진 출구와 변속기오일 쿨러 사이에 설치되는 제3 밸브부재;
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
  7. 청구항 5에 있어서,
    상기 유동제어밸브는 제어기에 의해 제어되며,
    상기 제어기는, 엔진 시동이 걸릴 때의 외기온도가 상기 제1 온도 미만이고 상기 히터가 작동 중이면, 상기 유동제어밸브를 폐쇄 작동시키는 동시에 상기 제2 밸브부재를 개방시킴에 의해 엔진에서 배출되는 냉각수를 상기 히터쪽으로 유동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어기는, 주행중 상기 EGR 쿨러의 냉각수 온도가 설정된 제3 온도 이상으로 과열되면, EGR 쿨러의 작동을 중단시키고 상기 유동제어밸브를 폐쇄 모드로 작동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제어기는, 주행 중 상기 열관리모듈의 밸브부재들이 스턱되면 상기 유동제어밸브를 개방 작동시키는 것을 특징으로 하는 차량용 냉각 시스템의 냉각수 유동 제어 장치.
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