KR100506716B1

KR100506716B1 - 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법

Info

Publication number: KR100506716B1
Application number: KR10-2003-0023589A
Authority: KR
Inventors: 권충일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2003-04-15
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2005-08-05
Also published as: KR20040089794A

Abstract

본 발명은 디젤 입자상물질 필터를 재생시키기 위한 재생 로직을 기존의 방법보다 간단하고 효율적으로 개선시킨 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 엔진 시동상태에서 엔진 ECU가 해당 센서들로부터 차량의 운전상황에 대한 rpm, 트로틀개도, 차속, 주행거리(마일리지)에 대한 정보를 전송받아 실시간으로 모니터링하는 단계; 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도를 감지하는 온도센서로부터 신호를 전송받아 미리 설정된 주행거리 범위내에서 상기 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도가 350℃ 이상으로 얼마나 분포되었는지를 판단하는 단계; 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단온도의 분포도를 기준으로, 상기 ECU는 미리 설정된 주행거리마다 엔진으로 하여금 연료후분사를 행하도록 명령 신호를 내리는 단계; 엔진의 연료후분사가 이루어져 배기가스의 온도가 상승하는 동시에 상기 디젤 입자상물질 필터에 포집된 입자상물질이 연소되어, 디젤 입자상물질 필터의 재생이 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 제공한다.

Description

디젤 입자상물질 필터의 재생 방법{Regeneration method of diesel particulate filter}

본 발명은 디젤 입자상물질의 재생 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디젤 입자상물질 필터를 재생시키기 위한 재생 로직을 보다 간단하고 효율적으로 개선시킨 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법에 관한 것이다.

통상, 배기가스는 엔진으로부터 연소된 혼합기가 배기관을 통하여 대기중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다.

이러한 배기가스의 규제는 필연적으로 강화되고 있는 바, 그에따라 배출가스 재순환 장치, 3원촉매, MPI장치 등을 포함하는 배기가스 제어장치와, 캐니스터, 퍼지 컨트롤 솔레노이드 밸브 등을 포함하는 증발가스 제어장치등이 차량에 적용되고 있다.

한편, 디젤엔진 차량은 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 엔진과는 달리 배기가스내에 질소산화물과 입자상물질(PM:Particulate Matter)이 상당히 많이 함유되어 있다.

디젤차량에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 CO와 HC는 가솔린 차량에 비하여 아주 적게 배출되나, NOx와 입자상물질(매연)이 많이 배출된다.

상기 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)은 서로 반비례 관계를 갖는 경향이 있는데, 즉 질소산화물을 줄이면 입자상물질이 증가하고, 반대로 입자상물질을 줄이려면 질소산화물이 증가하는 경향이 있다.

최근, 상기 입자상물질은 대기를 오염시키는 가장 주된 원인으로 규명되고 있고, 인체에도 많은 해를 입히는 것으로 판명되고 있다.

이에, 디젤차량의 배출가스 저감기술은 NOx와 매연을 포함한 입자상물질의 저감이 중점적으로 이루어지고 있으며, 특히 디젤차량의 배출기준 강화에 대응하여 후처리기술로 매연등 입자상물질과 CO, HC등을 줄이기 위한 매연여과장치(DPF)가 이미 실용화 된 바 있으며, 그 밖에 디젤산화촉매장치(DOC)가 개발되었고, NOx만을 선택적으로 줄이기 위한 De-NOx 촉매 및 SCR등이 개발되어 왔다.

최근 부각되고 있는 입자상물질(PM)을 저감시키는 방법으로 디젤 입자상물질 필터(DPF:Diesel Particulate Filter) 기술을 채택되고 있는 바, 이 디젤 입자상물질 필터는 배기라인에 설치되어, 엔진으로부터 배출된 불연소의 디젤 입자상물질을 트랩(trap)을 이용하여 포집하고, 입자상물질의 발화온도 이상으로 승온시켜 입자상물질을 태우고(재생)하는 기능을 반복 수행하게 된다.

대개, 상기 디젤 입자상물질 필터 기술은 입자상물질 포집(trapping)기술과 재생(regeneration)기술로 나누어지며 시스템은 첨부한 도 3에 나타낸 바와 같이 기본적으로 필터, 재생장치, 제어장치의 3부분으로 구성되어 있다.

이때, 상기 디젤 입자상물질 필터내에 포집된 입자상물질이 연소되는 온도는 550∼600℃ 이상이지만, 디젤엔진의 특성상 배출된 배기가스의 온도는 일반적으로 200∼300℃로 낮은 편이기 때문에 필터내에 포집된 입자상물질이 연소되지 못하는 경우가 발생하게 된다.

따라서, 디젤엔진에서 배출된 배기가스의 온도를 상승시키기 위하여 포스트 인젝션(Post Injection, 이하 연료후분사라 칭함), 산화촉매를 이용한 배기가스의 상승 방법, 연료첨가제 주입등의 여러 기술들이 개발되어 왔다.

여기서 첨부한 도 4내지 도 5를 참조로 디젤 입자상물질 필터의 구성을 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 4는 상기 디젤 입자상물질 필터의 작용 원리를 설명하는 개략도이고, 도 5는 종래(Peuzeot607 2.2HDi에 양산 적용)의 디젤 입자상물질 필터의 설치상태를 보여주는 구성도이다.

상기 디젤 입자상물질 필터(100)는 탄화규소 재질로 만들어진 벌집형의 채널구조물(10)과; 이 벌집형의 채널구조물(10)이 채워지는 소정 체적의 챔버와; 이 챔버가 길이방향으로 배열/설치되고 전후에 배기가스의 입출구가 형성된 하우징(12)으로 구성되어 있다.

또한, 상기 필터에는 입자상물질의 연소온도를 350℃정도로 낮추어주는 기능을 하는 촉매가 코팅되어 있다.

특히, 상기 디젤 입자상물질 필터에는 전후단 위치의 온도를 감지하는 온도센서(14)가 연결/설치되어 있고, 이 온도센서(14)는 ECU(16)에 신호전달 가능하게 연결되어 있으며, 상기 ECU(16)는 커먼레일방식의 엔진에 연료후분사를 행하는 명령을 내릴 수 있도록 전기적 신호 교환 가능하게 연결되어 있다.

여기서, 종래의 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 설명한다.

종래의 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법(최초로 디젤 입자상물질 필터가 장착되어 양산된 디젤차량(Peuzeot607 2.2HDi)의 재생방법(로직))은 커먼레일 연료분사장치에 연료후분사(Post injection)가 적용되어 있다.

커먼레일 연료분사장치의 연료분사는 대개 프리 인젝션(pre injection)과 메인 인젝션(main injection)으로 나누어 이루어지는데, 프리 인젝션은 약간의 연료를 미리 분사/연소하여 온도팽창 및 부피팽창에 따른 노이즈를 제거하기 위한 것이고, 메인 인젝션은 실질적인 폭발압을 얻기 위한 것이며, 상기 연료후분사(Post injection)는 메인 인젝션 후의 추가적인 연료분사로서, 배기라인으로 배출되는 배기가스를 약 200℃ 이상 상승시켜 고열화시키기 위한 분사라 할 수 있다.

위와 같이, 연료후분사를 이용한 종래의 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 첨부한 도 2를 참조로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 엔진 시동상태에서 엔진 ECU는 각종 센서(공기질량 센서, 크랭크 위치 센서, 캠샤프트 위치센서, 액셀레이터 페달센서, 레일압력센서)들로부터 차량의 운전상황에 대한 각종 데이타(rpm, 트로틀개도, 차속 등)들을 전송받아 지속적으로 모니터링하는 상태를 유지한다.

또한, 상기 엔진 ECU는 배기계내의 압력 및 온도차를 지속적으로 모니터링하면서 수신된 각종데이타, 배기계내의 압력 및 온도변화추이 등을 근거로 미리 입력된 계산식으로 연산을 하여, 상기 디젤 입자상물질 필터내에 축적된 매연(Soot)의 양을 계산한다.

다음으로, 상기 축적된 매연의 양이 ECU에 미리 입력된 제한값 이상일 경우, 차량이 무부하(idling)상태인지 판단하는 단계가 진행되는 바, 이때 차량이 무부하상태가가 아닌 주행상태로 판단되면, 경고등 점등과 함께 ECU는 엔진으로 하여금 연료후분사를 행하도록 명령 신호를 내리게 된다.

또한, 상기 ECU가 연료후분사를 행하는 명령 신호를 내리기 전에 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도를 감지하는 온도센서의 감지신호에 따라 ECU는 연료후분사 명령을 내리게 되는 바, 감지된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도가 450℃이하이면 ECU는 엔진으로 하여금 연료후분사를 행하도록 명령 신호를 내리게 된다.

한편, 상기 ECU에 미리 입력되는 매연의 제한값은 디젤 입자상물질 필터의 종류, 재질에 따라 달라질 수 있다.

다음으로, 상기 엔진에서 연료후분사가 일어남에 따라, 배기라인으로 배출되는 배기가스의 온도는 약 200℃이상 상승되어, 디젤 입자상물질 필터내에 포집된 입자상물질(PM)이 연소되어 디젤 입자상물질 필터의 재생이 시작된다.

이렇게, 연료후분사가 반복되면서 디젤 입자상물질 필터내에 포집된 입자상물질이 연소되는 재생이 어느 정도 일어나게 되면, 즉 포집된 매연양이 ECU에 입력된 초기값에 도달하면 디젤 입자상물질 필터의 재생이 완료된다.

이와 같은 종래의 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법은 다음과 같은 단점이 있다.

디젤 입자상물질 필터를 재생하기 위한 ECU의 연산횟수가 잦고 연산량이 많아서, ECU에 부하가 많이 걸리게 되는 단점이 있고, 그에따라 ECU의 수명이 단축되거나 소손될 우려가 있다.

또한, 디젤 입자상물질 필터의 재생시점을 결정하는 필터내의 축적된 매연양을 계산하는 관계식을 ECU에 미리 입력해 놓아야 하는 바, 이러한 관계식을 만들기 위해서는 엔진대상 및 차량에서 무수히 많은 시험을 필요로 하는 어려움이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 단점을 감안하여 발명한 것으로서, 디젤 입자상물질 필터를 재생시키기 위한 재생 로직을 보다 간단하고 효율적으로 개선시키고자, 디젤 입자상물질 필터의 전단온도만을 실시간으로 감지하고, 감지된 온도가 미리 설정된 주행거리(마일리지)범위내에서 소정의 온도 이상으로 얼마나 분포되는지 판단한 후, ECU가 미리 설정된 주행거리마다 엔진에 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리게 하여 이루어지는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 엔진 시동상태에서 엔진 ECU가 해당 센서들로부터 차량의 운전상황에 대한 rpm, 트로틀개도, 차속, 주행거리(마일리지)에 대한 정보를 전송받아 실시간으로 모니터링하는 단계; 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도를 감지하는 온도센서로부터 신호를 전송받아 미리 설정된 주행거리 범위내에서 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도가 350℃ 이상으로 얼마나 분포되었는지를 판단하는 단계; 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단온도의 분포도를 기준으로, 상기 ECU는 미리 설정된 주행거리마다 엔진으로 하여금 연료후분사를 행하도록 명령 신호를 내리는 단계; 엔진의 연료후분사가 이루어져 배기가스의 온도가 상승하는 동시에 상기 디젤 입자상물질 필터에 포집된 입자상물질이 연소되어, 디젤 입자상물질 필터의 재생이 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 구현예로서, 상기 ECU는 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도에 대한 분포도 판단을 미리 설정된 주행거리인 300∼400Km 마다 연산하게 된다.

더욱 바람직한 구현예로서, 상기 ECU는 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도에 대한 온도 분포를 판단함에 있어서, 350℃ 이상의 온도 분포를 70%로 판단하면 1500Km마다 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리고, 350℃ 이상의 온도 분포를 40∼70%로 판단하면 1000Km마다 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리며, 350℃ 이상의 온도 분포를 40% 이하로 판단되면 700Km마다 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리게 된다.

이때, 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질필터의 전단 온도가 350℃ 이상이 되면 자연적으로 연료후분사 없이 필터내 입자상물질이 일부 지속적으로 연소되기 때문에 온도가 70%이상이 되면 필터내 쌓이는 입자상물질이 훨씬 적게된다.

반면에, 40%미만인 경우는 계속해서 입자상 물질이 필터내에 쌓이게 되므로 그 만큼 자주 연료후분사를 통해 강제 재생을 해주어야 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 나타내는 순서도이다.

본 발명에 따른 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법은 기존의 방법과는 달리 디젤 입자상물질 필터의 전단온도만을 실시간으로 감지하여, 감지된 신호를 기준으로 ECU가 연료후분사를 효율적이고 적정한 시점에 이루어지게 한 점에 있다.

본 발명의 방법을 도 1의 순서도를 참조로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 엔진 시동상태에서 엔진 ECU가 각종 센서(엔진 회전수 센서, 액셀레이터 페달 센서, 차속센서, 온도센서, 주행거리 감지센서)들로부터 차량의 운전상황에 대한 rpm, 액셀레이터 개도, 차속, 디젤 입자상물질 필터의 전단온도, 주행거리(마일리지) 등의 정보를 전송받아 실시간으로 모니터링하는 단계가 진행된다.

다음으로, 상기 ECU가 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도를 감지하는 온도센서로부터 신호를 전송받아 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도에 대한 분포를 판단하는 단계가 진행된다.

이때, 상기 ECU는 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도에 대한 분포를 미리 설정된 주행거리 범위내에서 판단하게 되는데, 주행거리범위는 300∼400Km로 미리 설정해주는 것이 바람직하다.

따라서, 300∼400Km의 주행거리 범위내에서 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단온도가 350℃ 이상으로 얼마나 분포되었는지를 판단하게 된다.

다음으로, 상기 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단온도의 분포도를 기준으로, 상기 ECU는 미리 설정된 주행거리마다 엔진으로 하여금 연료후분사를 행하도록 명령 신호를 내리는 단계가 진행된다.

보다 상세하게는, 상기 ECU는 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도에 대한 온도 분포를 판단한 후, 350℃ 이상의 온도 분포가 70%를 차지하는 것으로 판단하면 미리 설정된 주행거리(1500Km)마다 엔진에 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리게 된다.

또한, 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도의 분포가 350℃ 이상으로 40∼70% 유지되고 있으면, 미리 설정된 주행거리(1000Km)마다 엔진에 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리게 된다.

또한, 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도의 분포가 350℃ 이상으로 40% 이하이면, 미리 설정된 주행거리(700Km)마다 엔진에 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리게 된다.

이와 같이, 엔진의 연료후분사가 적정한 시점에 이루어져 배기가스의 온도가 상승하게 되고, 동시에 상기 디젤 입자상물질 필터에 포집된 입자상물질이 연소되어, 결국 디젤 입자상물질 필터의 재생이 용이하게 이루어지게 된다.

다시 말해서, 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단온도가 입자상물질이 용이하게 연소될 수 있는 온도에 미치지 않는 시점을 실시간으로 파악하여, 엔진의 연소후분사가 이루어지게 함으로써, 포집된 입자상물질이 용이하게 연소되는 동시에 디젤 입자상물질 필터의 재생이 용이하게 이루어지게 된다.

한편, 본 발명에서 연료후분사의 기준이 되는 온도인 350℃는 필터에 촉매가 코팅되어 필터내 입자상물질이 연소될 수 있는 기준온도로서, 촉매의 종류에 따라 약 ±10℃ 가량 차이가 날 수 있다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법에 의하면, 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단온도만을 실시간으로 감지하고, 미리 설정된 주행거리(마일리지)범위내에서 350℃ 이상의 온도 분포도를 판단하여, 온도 분포의 범위에 따라 ECU가 엔진에 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리게 함으로써, 디젤 입자상물질 필터에 포집된 입자상물질이 적정한 시점에서 연소됨과 함께 디젤 입자상물질 필터의 재생이 용이하게 이루어지는 장점을 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 나타내는 순서도,

도 2는 종래의 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 나타내는 순서도,

도 3은 디젤 입자상물질 필터의 구성 및 그 연결관계를 나타내는 개략도,

도 4는 디젤 입자상물질 필터의 작용 원리를 설명하는 개략도,

도 5는 도 2의 순서도가 적용되는 종래의 디젤 입자상물질 필터의 설치상태를 보여주는 구성도,

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 벌집형의 채널 구조물 11 : 챔버

12 : 하우징 14 : 온도센서

16 : ECU 100 : 디젤 입자상물질 필터

Claims

엔진 시동상태에서 엔진 ECU가 해당 센서들로부터 차량의 운전상황에 대한 rpm, 트로틀개도, 차속, 주행거리(마일리지)에 대한 정보를 전송받아 실시간으로 모니터링하는 단계;

촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도를 감지하는 온도센서로부터 신호를 전송받아 미리 설정된 주행거리 범위내에서 상기 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도가 350℃ 이상으로 얼마나 분포되었는지를 판단하는 단계;

상기 디젤 입자상물질 필터의 전단온도의 분포도를 기준으로, 상기 ECU는 미리 설정된 주행거리마다 엔진으로 하여금 연료후분사를 행하도록 명령 신호를 내리는 단계;

엔진의 연료후분사가 이루어져 배기가스의 온도가 상승하는 동시에 상기 디젤 입자상물질 필터에 포집된 입자상물질이 연소되어, 디젤 입자상물질 필터의 재생이 이루어지는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 ECU는 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도에 대한 분포도 판단을 미리 설정된 주행거리인 300∼400Km 마다 연산하게 되는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 ECU는 촉매가 코팅된 디젤 입자상물질 필터의 전단 온도에 대한 온도 분포를 판단함에 있어서, 350℃ 이상의 온도 분포를 70%로 판단하면 1500Km마다 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리고, 350℃ 이상의 온도 분포를 40∼70%로 판단하면 1000Km마다 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리며, 350℃ 이상의 온도 분포를 40% 이하로 판단되면 700Km마다 연료후분사를 행하는 명령신호를 내리게 되는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.