KR100622708B1

KR100622708B1 - 디젤 매연 여과장치의 재생 방법

Info

Publication number: KR100622708B1
Application number: KR1020040039431A
Authority: KR
Inventors: 김창대
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2004-06-01
Filing date: 2004-06-01
Publication date: 2006-09-14
Also published as: KR20050114298A; US20050262834A1; JP2005344711A

Abstract

본 발명은 디젤 매연 여과장치의 재생 방법에 관한 것으로서, 매연의 축적량 정도를 데이타화시켜 이루어지는 매연 여과장치의 강제 재생과 동시에 자연재생을 고려하여 적절한 재생 로직으로 구현시킨 디젤 매연 여과장치의 재생 방법에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 엔진 및 차량의 조건에 관계없이 매연 여과장치내에 쌓여 있는 매연량마다 달라지는 흐름 저항값(디젤 매연 여과장치의 전후단 압력차를 배기가스 유량으로 나눈값)과, 차량의 누적 마일리지와, 배출가스의 총볼륨을 ECU에 입력하는 단계; 상기 ECU에서 누적 마일리지와 흐름 저항값(K)을 계산하는 단계; 마일리지가 200∼10000km 이면 상기 디젤 매연 여과장치를 1차로 강제 재생시키는 단계; 상기 흐름 저항값(K)이 0.001∼0.07이면, 상기 디젤 매연 여과장치를 2차로 강제 재생시키는 단계로 이루어지는 디젤 매연 여과장치의 재생 방법을 제공한다.

디젤 매연 여과장치, 강제 재생, 마일리지, 흐름 저항값

Description

디젤 매연 여과장치의 재생 방법{Method for determinating regeneration of diesel soot filtering device}

도 1은 본 발명에 따른 디젤 매연 여과장치의 재생 방법을 나타내는 순서도,

도 2는 마일리지 축적에 따른 K값의 변화량을 나타내는 그래프,

도 3은 승용디젤 차량의 CPF 입구 온도의 분포 양상을 나타내는 그래프.

디젤 매연 여과장치를 개발하는데 있어서, 가장 중요한 ECU 로직은 "어떻게 매연 여과장치를 계속적으로 사용하는냐" 에 달려 있다. 이를 위해 디젤 매연 여과장치내의 축적된 매연을 계속적으로 태워주어 디젤 매연 여과장치가 막히지 않도록 하여야 한다.

따라서, 디젤 매연 여과장치의 온도를 계속적으로 높여주어야 하는데, 이를 위해서는 엔진의 포스트 인젝션(post injection)을 통한 연료의 후분사가 필수적인 요소로 할 것이다.

일반적인 재생 로직 조건은 다음과 같이 정의될 수 있다.

1) 엔진 rpm : 1000∼4000

2) 주행거리 : 200km

3) 엔진부하 : 약 0.7bar

4) 차량속도 : 50kph

5) 냉각수 온도 : 50℃ 이상

이러한 조건일 때, 디젤 매연 여과장치의 재생이 되도록 하고 있다.

그러나, 위의 조건은 임의적으로 실험을 위한 재생 조건일뿐, 주행의 특성과 양산을 위한 고려는 전혀 감안되지 않고 있다.

위의 재생 조건을 디젤차량에 적용할 수 없는 이유는 재생의 싯점 및 조건을 파악한 결과로써의 재생이 아니라 오로지 오류 방지를 위한 재생일 뿐이기 때문이다. 결국, 상기 재생 조건에 의한 재생 로직은 연비의 악화 및 미제어 버닝(Uncontrolled burning)을 전혀 차단할 방법이 없으며, 차량의 상품성에 치명적인 악영향을 미치게 된다.

현재, 디젤 자동차를 제작/판매하기 위해서는 많은 내구시험과 평가시험(유럽 평가모드:EC모드, 미국평가 모드:FTP-75모드)을 거쳐야 하며, 기본로직과 에러 로직 및 매연강제 재생로직 등 실제 도로에서의 여건 및 상황에 맞게 다양한 개발로직을 작성하여 돌발적인 문제를 방지할 수 있어야 한다.

특히, 위에서 언급한 모든 경우의 시험변수에 대한 충분한 데이터가 필요함은 물론이다.

그러나, 충분한 시험데이타를 보유한다고 할지라도, 그 데이타를 유용하게 이용하기 위해서는 정확한 매연의 양과 축적 정도를 파악해야만 한다.

즉, 디젤자동차에서 디젤 매연 여과장치를 장착하기 위해서는 많은 엔진 데이터와 차량 데이터가 확보되어야 하고, 이를 매핑하는 기간이 충분히 요구되고 있다.

이에, 디젤 매연 여과장치의 장착을 위하여 포집된 매연을 어떻게 효과적으로 연소시켜서 계속적으로 재사용을 가능하게 하는 점이 관건이다.

상기 디젤 매연 여과장치를 개발/장착하기 위하여 미리 선행되어야 하는 최소/최우선적인 시험변수는 다음과 같다.

1) 연료 후분사(진각/지각 포함)에 따른 배기가스 온도 상승 여부

2) 엔진조건에 따른 매연 강제 재생 전략

3) 매연 로딩(Loading)량 파악 및 매연 강제 재생의 시작과 종료점 파악

4) 미제어 버닝(Uncontrolled burning)방지 기술 등.

위에서 언급한 바와 같이, 디젤 자동차를 제작 및 판매하기 위해서는 많은 내구 시험과 평가 시험(유럽 평가 모드: EC 모드; 미국 평가 모드: FTP-75 모드)을 거쳐야 하며, 기본로직과 에러로직 및 매연 강제 재생로직 등 실도로에서의 여건 및 상황에 맞게 다양한 개발로직을 작성하여 돌발적인 문제를 방지할 수 있어야 한다.

이에, 위에서 언급한 모든 경우의 시험변수에 대한 충분한 데이터가 필요한 것은 두말할 나위가 없다 하겠다.

상기 시험변수 1)항, 2)항 그리고 4)항의 문제점을 파악하여 그에 대한 매핑과 시험 데이타를 충분히 보유하고 있어야 하지만, 3)항의 경우에는 충분한 시험데이타를 보유한다고 하여도 유용한 이용을 위해서는 그 정확한 매연의 양과 축적 정도를 파악하여야만 한다.

이를 위해서는 실제 차량 및 엔진에서 실제 축적되어있는 매연의 양을 저울을 이용하여 재는 방법밖에는 현재로써 별다른 방법이 없는 실정이다.

결국, 실제 차량 및 엔진 시험시, 매연 강제 재생시점을 파악하기 위해 현재의 매연 여과장치 내에 몇 g의 매연이 쌓여 있는지 해당 매연 여과장치를 분리하여 저울로 재야하고, 이를 다시 장착하여 시험을 진행하여야 한다.

그러나, 이러한 과정을 진행한다는 것은 거의 불가능하며, 그 이유는 해당 매연 여과장치의 무게가 일반적으로 12∼15kg이고, 매연의 무게는 약 2∼12g으로 매우 소량인 관계로 정확성(Accuracy)이 크게 떨어질 뿐만 아니라, 주행시 매연 여과장치 외관에 이물질이 붙을 경우에도 매연의 무게가 달라지기 때문에 매연의 무게를 실시간으로 정확하게 측정한다는 것이 불가능하다.

이는 엔진 대상의 시험에서도 마찬가지이다. 엔진 대상에서는 차량에서 보다 휠씬 수월한 작업 과정을 거치지만 역시 마찬가지로 매연 여과장치를 떼어 저울로 그 무게를 측정하여야 하는 것은 동일하다. 즉, 시험 중에 해당 매연 여과장치를 떼어 무게를 재고, 이를 다시 장착하여 시험을 계속 진행해야 한다.

결국, 이런 시험을 반복적으로 진행하다 보면 개발 기간이 매우 길게 늘어날 뿐만 아니라 측정된 데이터의 신뢰도가 상당히 떨어지게 된다.

따라서, 차량에서 매연의 축적량을 실시간으로 알 수 있는 임의의 상수값을 설정하는 것이 급선무이고, 이러한 상수값을 설정하지 못하면 매연의 축적량을 알 수 없게 된다.

상기 상수값은 흐름 저항값(Flow resistance, K Factor)으로 규명될 수 있고, 이 상수값은 엔진의 조건에 따라 변화하지 않는 일정한 상수값이며, 디젤 매연 여과장치에 따라 변화하는 값이 된다.

종래 기술의 최대 단점은 디젤 매연 여과장치에 축적된 정확한 매연의 량을 파악하지 못하기 때문에 당 장치내의 축적 매연에 대한 정확한 재생 시점을 설정할 수 없다는 점에 있다.

이에, 디젤 매연 여과장치의 재생 싯점 및 종료싯점을 알 수 없고, 또한 얼마나 재생이 이루어졌는지 알 수 있는 정보가 전무하며, 다음에는 어느 정도의 재생이 이루어져야 하는 지에 대한 데이타도 알 수 없게 된다.

결국, 디젤 매연 여과장치를 완전하게 개발하기 위해서는 차량과 엔진 대상에서 실시간으로 나오는 데이타들이 몇 g의 매연이 로딩된 데이타인지를 명확하게 제시되어야 한다.

그러나, 현재 매연에 대한 로딩 데이타를 아는 것이 불가능한 것으로 알려졌 는 바, 그 이유는 다음과 같다.

1) 순간적으로 변하는 엔진 rpm,

2) 순간적으로 변하는 매연 여과장치의 전,후단 압력,

3) 매순간 변하는 공기량 및 연료량,

4) 얼마나 쌓여 있는지 판단할 수 없는 매연량.

상기와 같은 점을 감안하여 본원 출원인은 엔진 및 차량의 조건에 관계없이 매연 여과장치내에 쌓여 있는 매연량에 따라, 디젤 매연 여과장치의 전후단 압력차를 배기가스 유량으로 나눈값인 흐름 저항값을 측정하여, 매연의 축적량 정도 및 해당 흐름 저항값을 데이타화시킴으로써, 소프트웨어적인 토대를 마련함과 함께 차후에 실차의 흐름 저항값만 측정하여도 매연여과장치의 강제 재생시점 및 종료점을 손쉽게 판단할 수 있는 디젤 매연 여과장치의 재생 시점 및 종료점 판단 방법을 이미 출원한 바 있다(공개특허 10-2005-0106143).

위의 공개특허 10-2005-0106143의 특징은 엔진 및 차량의 조건에 관계없이 매연 여과장치내에 쌓여 있는 매연량(SL)마다 달라지는 흐름 저항값(디젤 매연 여과장치의 전후단 압력차를 배기가스 유량으로 나눈값)을 미리 측정하는 단계와; 상기 각 매연량(SL) 및 해당 흐름 저항값(FR1)을 저장/연산수단에 미리 저장하여 데이타화시키는 단계와; 미리 저장된 매연량(SL)에 해당하는 흐름 저항값(FR1)을 매연 여과장치의 강재 재생시점(시작점)의 기준으로 정하는 단계와; 실차의 흐름 저항값(FR2)을 측정하는 동시에 이 측정된 흐름 저항값(FR2)과 일치하는 매연량(SL)을 상기 저장/연산수단에서 연산하여 확인하는 단계와; 상기 실차의 흐름 저항값(FR2)과, 상기 확인된 매연량(SL)의 해당 흐름 저항값(FR1)을 상기 저장/연산수단에서 비교/연산하여서, 상기 매연 여과장치의 강제 재생시점과 종료점을 판단함과 동시에 상기 매연 여과장치의 강제 재생 여부를 결정하는 단계로 이루어지는 점에 있다.
결국, 위의 공개특허 10-2005-0106143에서는 차량의 속도 및 rpm이 순간적으로 변화하고 공기량 및 연료량도 전이(Transient) 구간의 적용을 받아 매순간마다 변화하고 있지만, 흐름 저항값은 일정한 경향을 나타내고 있다는 것을 보여주고 있다.
즉, 위의 공개특허 10-2005-0106143에서는 디젤 매연여과장치 내의 매연 축적량이 임의의 g(예를 들면, 6g)이 됐을 때 이를 기준으로 재생한다고 가정하면, 위의 기준 매연 축적량에 도달했을 때의 흐름 저항값이 0.03~0.035 정도로 일정하게 나타나고 있음을 보여주고 있으며, 이러한 흐름 저항값은 차량의 외부 조건에 따라서 쉽게 변화하지 않음을 보여주고 있다.
따라서, 디젤 매연여과장치 내의 매연 축적량을 임의의 g(예를 들면, 6g)을 기준으로 재생한다고 가정하면, 그때의 흐름 저항값(예를 들면, 0.03)을 ECU 로직의 매연 강제 재생시점으로 정하고, 이를 통하여 현재의 흐름 저항값이 기 저장된 흐름 저항값에 도달했을 때 매연 강제 재생을 시작할 수 있다.

또한, 상기 저장/연산수단은 ECU로서, 실차에서 측정된 흐름 저항값(FR2)과 미리 저장된 흐름 저항값(FR2)을 비교하여, 그 값이 일치하면 강제 재생시점으로 판단하는 동시에 상기 매연 여과장치를 강제 재생시키는 것을 특징으로 하고 있다.

그러나, 위와 같은 방법으로 디젤 매연 여과장치의 재생 시점 및 종료점을 판단할 수 있는 근거가 되는 것은 사실이지만, 강제 재생의 시작과 종료를 판단하고 재생한다면 아무 문제가 없을 것으로 보이지만 그 시작점 및 종료점이 얼마만에 검출되는가에 의문이 제기될 수 있다.

이를 알아 보기 위해, 승용디젤차량에서 진행한 온도 측정을 진행한 결과를 첨부한 도 2에 도시하였다.
도 2에 도시한 바와 같이, 승용디젤차량의 디젤 매연 여과장치의 유입온도를 알 수 있으며, 대략적으로 300∼350℃ 영역임을 알 수 있다.

이러한 온도 영역은 디젤 매연 여과장치내에 DFP담체에 코팅한 촉매의 자기 발화가 충분히 일어나는 조건이다.
즉, 촉매 CPF상에서 매연의 자연 발화가 진행되어 엔진에서 배출되는 전체량이 축적되지 않는다는 것이다.
결국, 운전자가 고속도로 등과 같은 고온 영역의 운전 상태에 있다면, K값은 급격히 낮아져 강제 재생 모드로 들어 갈 수 없는 조건이 계속된다.
이를 도 3에 도시하였다.

도 3에 도시한 바와 같이, 예를 들어 K값을 0.03 이상에서 강제 재생으로 재생모드를 진행하게 할 때, 차량의 마일리지가 10000km가 될 때까지는 강제 재생모드가 결코 작동하지 않게 된다.
이는 K값이 100km일 때 0.007, 2000km일 때 0.01, 5500km일 때 0.014로 위의 강제 재생모드의 개시 시점으로 설정한 0.03에는 못미치기 때문이다.
그러면, 10000km 이전에는 강제 재생없이 차량의 운행이 계속되어도 문제가 없는지에 대한 의문이 발생한다.

강제 재생없이 10000km를 주행할 수 있는 것은 차량 연비를 위해서 고무적인 현상이지만, 비제어 버닝이 10000km 동안 발생하지 않는다고 장담할 수 없을 것이다.

결국, 강제 재생을 위한 로직을 아무리 잘 만들어도, 로직이 한 번도 사용되지 못하면서 비제어 버닝이 발생할 수 있고, 또 강제 재생시 디젤 매연 여과장치에 많은 무리가 갈 수 있는 문제점이 있다.

따라서, 기출원된 강제 재생 로직과 CPF 촉매 코팅에 따른 자연 재생 로직을 적절하게 조합할 필요가 있다 하겠다.

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 연구 개발된 것으로서, 디젤 매연 여과장치의 강제 재생에 있어서, 상수값 K(흐름 저항값(Flow resistance))의 검출 이전에 자연 재생 조건이 찾아와 강제 재생의 로직만으로는 CPF 즉, 디젤 매연 여과장치를 보호하기 힘들다는 점을 감안하여, 자연재생의 정도와 K값이 도출되는 정도의 값을 조화시켜 적절한 재생 로직을 구현할 수 있도록 한 디젤 매연 여과장치의 재생 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 엔진 및 차량의 조건에 관계없이 매연 여과장치내에 쌓여 있는 매연량마다 달라지는 흐름 저항값(디젤 매연 여과장치의 전후단 압력차를 배기가스 유량으로 나눈값)과, 차량의 누적 마일리지와, 배출가스의 총볼륨을 ECU에 입력하는 단계; 상기 ECU에서 누적 마일리지와 흐름 저항값(K)을 계산하는 단계; 마일리지가 200∼10000km 이면 상기 디젤 매연 여과장치를 1차로 강제 재생시키는 단계; 상기 흐름 저항값(K)이 0.001∼0.07이면, 상기 디젤 매연 여과장치를 2차로 강제 재생시키는 단계로 이루어지는 디젤 매연 여과장치의 재생 방법을 제공한다.

바람직한 구현예로서, 상기 마일리지가 1000km 이상이면 상기 디젤 매연 여과장치를 1차로 강제 재생시키고, 상기 흐름 저항값(K)이 0.03 이상이면 상기 디젤 매연 여과장치를 2차로 강제 재생시키는 것을 특징으로 한다.

더욱 바람직한 구현에로서, 상기 1차 강제 재생은 일부의 매연만을 연소시킬 수 있는 중온(550∼600℃)의 조건에서 진행되고, 이후 상기 2차 강제 재생은 고온 영역(650℃이상)에서 진행되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명한다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 디젤 매연 여과장치의 재생 방법을 설명하는 순서도이다.

본 발명은 매연 여과장치내에 쌓여 있는 매연량마다 달라지는 흐름 저항값인 K값을 측정하여 여과장치의 강제 재생이 이루어지도록 하되, 자연 재생을 고려하여 K값이 검출되기 전에 차량의 누적 마일리지를 체크하여 강제 재생이 2단계로 진행되도록 한 점에 주안점이 있다.

본 발명에 따른 디젤 엔진 매연여과장치의 재생이 이루어지는 상태를 순서대로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 엔진 ECU에 매연여과장치의 강제 재생을 위한 데이타가 입력되는 단계로서, 엔진 및 차량의 조건에 관계없이 매연 여과장치내에 쌓여 있는 매연량마다 달라지는 흐름 저항값 K와, 차량의 누적 마일리지 그리고 배출가스의 총볼륨이 ECU에 입력된다.

이어서, 상기 ECU에서 입력된 누적 마일리지와 흐름 저항값(K)을 가지고 연산을 하게 되며, 상기 누적 마일리지가 200∼10000km 이면, 바람직하게는 1000km 이상이면 상기 디젤 매연 여과장치를 1차로 강제 재생시키게 된다.

이러한 마일리지에 의한 재생은 상기 흐름저항값 K가 검출되지 않은 상태이며, 이는 디젤 매연 여과장치내에 축적된 매연의 양이 재생 가능 이하의 수준이라고 판단된다. 결국 차량의 마일리지는 차량별로 달리 검출되어야 하며, 연비 및 매연여과장치의 보호가 적절하다고 판단되는 싯점이 되어야 한다.

따라서, 흐름 저항값(K)이 검출되지 않은 상태이고 누적 마일리지가 1000km 이상인 경우 매연의 축적량은 적은 상태이므로, 강제 재생을 위한 조건을 고온의 영역인 650℃ 이상에서 진행한다.
즉, 매연의 축적량이 적은 상태이기 때문에 고온의 영역에서 강제 재생을 진행하여도 디젤 매연 여과장치의 비제어 버닝이 발생되지 않게 된다.

다음으로, 누적 마일리지가 1000km 이하인 상태에서 상기 흐름 저항값(K)이 0.001∼0.07이면, 바람직하게는 상기 흐름 저항값(K)이 0.03 이상이면, 상기 디젤 매연 여과장치를 2차로 강제 재생시키게 된다.

이때, 상기 K값은 차량의 조건 및 엔진의 조건에 따라 달리 표현되어야 하는 상수이며, 그 범위를 한정하다면 0.001∼0.07로 나타나는 값이고, 상기 마일리지의 경우에도 촉매의 로딩량을 감안하여 200∼10000km의 범위로 한정한다.

한편, 상기 K값이 검출된 영역에서 비록 마일리지가 200km 이하 영역이라고 하더라도, 매연의 검출량이 많아 K값으로 나타난 것이므로, 고온의 영역에서 강제 재생 로직이 수행될 경우, 비제어 버닝(uncontrolled burning)이 발생한다. 따라서, 상기와 같이 K값이 0.001∼0.07이면, 바람직하게는 0.03 이상이면, 상기 디젤 매연 여과장치를 2차로 강제 재생시키게 된다.

이때, 다량의 매연을 고온의 영역에서 한꺼번에 연소시키는 것이 아니라 일부의 매연만을 연소시킬 수 있는 중온(550∼600℃)의 조건에서 강제 재생을 진행하고, 이후 2차의 강제 재생을 고온 영역(650℃이상)에서 진행하여 완전한 디젤 매연 여과장치의 재생을 기할 수 있게 된다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 매연 여과장치의 재생 방법에 의하면, 디젤 매연 여과장치의 강제 재생에 있어서, 상수값 K(흐름 저항값(Flow resistance))의 검출 이전에 자연 재생 조건을 고려하여, 자연재생의 정도와 K값이 도출되는 정도의 값을 조화시켜 적절한 재생 로직을 구현함으로써, 완전한 디젤 매연 여과장치의 재생을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 방법은 디젤 매연여과장치의 매연 강제재생을 위한 소프트웨어적인 키(Key)로 사용될 수 있고, ECU의 매핑 요소로 활용할 수 있다.

Claims

디젤 매연 여과장치의 재생 방법에 있어서,

엔진 및 차량의 조건에 관계없이 매연 여과장치내에 쌓여 있는 매연량마다 달라지는 흐름 저항값(디젤 매연 여과장치의 전후단 압력차를 배기가스 유량으로 나눈값)과, 차량의 누적 마일리지와, 배출가스의 총볼륨을 ECU에 입력하는 단계;

상기 ECU에서 누적 마일리지와 흐름 저항값(K)을 계산하는 단계;

마일리지가 200∼10000km 이면 상기 디젤 매연 여과장치를 1차로 강제 재생시키는 단계;

상기 흐름 저항값(K)이 0.001∼0.07이면, 상기 디젤 매연 여과장치를 2차로 강제 재생시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 매연 여과장치의 재생 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 마일리지가 1000km 이상이면 상기 디젤 매연 여과장치를 1차로 강제 재생시키고, 상기 흐름 저항값(K)이 0.03 이상이면 상기 디젤 매연 여과장치를 2차로 강제 재생시키는 것을 특징으로 하는 디젤 매연 여과장치의 재생 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 1차 강제 재생은 일부의 매연만을 연소시킬 수 있는 중온(550∼600℃)의 조건에서 진행되고, 이후 상기 2차 강제 재생은 고온 영역(650℃이상)에서 진행되는 것을 특징으로 하는 디젤 매연 여과장치의 재생 방법.