KR100680340B1 - Ｃｐｆ 재생 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CPF 재생 제어방법에 관한 것으로, 특히 수트 질량값의 거동을 필터링하여 오검출로 인해 비정상적으로 산출된 수트 질량값을 제한함으로써 최적기에 CPF 재생이 이루어질 수 있도록 하는 CPF 재생 제어방법에 관한 것이다.

본 발명의 CPF 재생 제어방법은, 상하한 제한치(상하한 limit)를 설정하는 제한치 설정 단계; 산출된 수트의 양(mSoot)을 필터 처리하여 수트필터값(mSootFlt)을 결정하는 수트필터값 결정 단계; 산출된 수트의 양이 수트필터값에 상한 제한치(상한 limit)를 가산한 값보다 큰 경우에는 수트필터값에 상한 제한치를 가산한 값을 최종 수트의 양(mSootLim) 으로 하고, 산출된 수트의 양이 수트필터값에서 하한 제한치(하한 limit)를 감산한 값보다 작은 경우에는 수트필터값에서 하한 제한치를 감산한 값을 최종 수트의 양으로 하고, 산출된 수트의 양이 수트필터값에서 하한 제한치를 감산한 값과 수트필터값에 상한 제한치를 가산한 값 사이에 존재하는 경우에는 산출된 수트의 양을 최종 수트의 양으로 하는 최종 수트 양 결정단계; 결정된 최종 수트의 양을 기초로 CPF 필터의 재생 여부를 결정하는 재생 제어단계; 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

ＣＰＦ 재생 제어방법{CPF regeneration controlling method}

도 1은 CPF가 내장된 담체의 사시도;

도 2는 필터상수 PT1에 의한 필터링 전의 계산치와 필터링 후의 계산치의 관계를 나타낸 그래프;

도 3은 종래의 CPF의 재생과정을 나타낸 플로우차트;

도 4는 매핑에 의해 산출된 수트 질량값의 시간의 경과에 따른 거동을 나타낸 그래프;

도 5는 본 발명에 의한 CPF 재생 제어방법을 이용하였을 때 도 4의 수트의 질량값의 변화된 거동을 나타낸 그래프;

도 6은 본 발명에 있어서 운전조건을 결정하는 과정을 나타낸 플로우차트; 그리고,

도 7은 본 발명에 의한 CPF의 재생 제어 과정을 나타낸 플로우차트이다.

**도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명**

1: 담체 11: 촉매

12: DPF

본 발명은 CPF에 퇴적된 수트의 질량의 거동을 필터링하여 평균적 거동을 구함으로써, CPF의 재생이 적기에 이루어지도록 하는 CPF 재생 제어방법에 관한 것이다.

최근 연료난과 맞물려 연비가 좋은 디젤자동차에 대한 관심이 높아지고 있다. 디젤자동차는 고압축비로 연비가 좋지만 연소온도가 높아 NOx(질소산화물)가 많이 발생하고 또 불완전연소에 의해 수트(Soot; 검댕이)가 많이 발생한다는 문제가 있다.

수트는 경유 버스 등의 배기구에서 흔히 볼 수 있는 까만 매연인데, 기체가 아닌 입자질이기 때문에 배기과정에서 DPF라는 필터를 통해 걸러주는 방식의 기술이 발전하고 있다. DPF는 수트를 거를수록 막힘이 커지기 때문에 이를 적절한 시기에 완전연소 시켜주어 필터를 재생하는 과정이 필요하다. 필터의 재생은 예를 들면 필터에 열선이 지나게 하여 탄소화합물인 수트를 태워주는 방식으로 이루어지거나 엔진에서 과도연소를 하여 매우 뜨거운 배기가스를 배출시킴으로써 그 배기가스에 의해 필터에 퇴적된 수트가 연소되도록 하는 방법 등에 의해 이루어진다.

DPF의 재생은 DPF에 축적된 수트의 양을 기준으로 이루어진다. 그러나 축적된 수트의 양을 매번 측량할 수도 없기 때문에 장착 가능한 센서에서 이루어지는 각종 측정값들을 필터링하고 계산하여 수트의 양을 예측하는 방법이 사용되고 있다.

도 1은 DPF가 내장된 담체의 사시도이다. 담체(1)는 그 내부에 촉매(11; Catalyst)와 DPF(12)를 함께 담고 있다. 도 1에는 촉매와 DPF가 별도 형성되어 있지만 DPF에 촉매를 입혀 일체 형성된 CPF가 사용되기도 한다. 담체(1)는 엔진의 배기밸브를 통해 배출된 배기가스가 상류마운팅부(13)로 유입되어 하류마운팅부(14)로 유출되며, 이어서 배기가스는 머플러를 지나 대기로 배출된다. 담체(1)에는 담체의 입구와 출구의 차압을 측정하기 위해 전방압력검출파이프(15)와 후방압력검출파이프(16)가 설치되어 있으며, 온도 검출을 위한 T5 센서가 장착되어 있다.

DPF에 걸러져 있는 수트의 질량은 유량 저항(resFlow)과 DPF를 지나는 배기 유량의 체적(dvol)의 값을 기초로 하여 매핑시킴으로써 얻어진다. 따라서 수트의 질량을 얻기 위해서는 먼저 유량 저항값과 배기유량의 체적 값을 구해야 한다. 유량저항값 resFlow는 다음의 수식에 의해 계산된다.

resFlow = P_diffsoot / dvol

= (P_diff - P_monolith) / dvol (식 1)

여기서, P_diffsoot는 차압, P_diff는 전방압력검출파이프와 후방압력검출파이프에 의해 얻어진 압력의 차, P_mololith는 담체자체의 차압이다.

한편 DPF를 지나는 배기 유량의 체적 dvol은 이상기체상태방정식에 의해 다음으로 계산된다.

dvol = (m_a + m_f) * R * T_surf / P_mid (식 2)

여기서, m_a 및 m_f는 각각 공기 및 연료의 질량, R은 기체상수, T_surf는 담체표면온도(T5의 측정값을 필터링처리한 값), P_mid는 DPF 중간부분의 압력이다. P_mid 값은

P_mid = P_air + EGPP + (P_diff - P_monolith) / 2 (식 3)

에 의해 얻을 수 있다. 여기서 P_air는 대기압, EGPP는 CPF(담체) 후단부에서 머플러 끝단까지의 배압(엔진 대상시험 결과값)이다.

계산된 resFlow값, dvol값, Tsurf값은 입력변동량의 63%에 도달되는 시간인 필터상수 PT1 값에 의해 필터링된다. 도 2는 필터상수에 의해 필터링 전의 계산치와 필터링 후의 계산치의 관계를 나타낸 그래프이다. 위 식 1 내지 식 3에 의해 계산된 계산된 resFlow값, dvol값, Tsurf값(그래프 a)의 변화량(y)은 필터상수 PT1(각각 15sec, 15sec, 0.3sec)에 의해 필터링된 값(그래프 b)으로 변환되고, 이렇게 필터링된 수치값인 resFlowFlt, dvolFlt에 의해 ECU가 필터 내의 수트의 질량(mSoot)을 매핑해 낸다.

매핑되어 얻어진 수트의 질량(mSoot)은 재생 제어에 사용되는 변수가 된다. 도 3은 DPF(또는 CPF)의 재생과정을 나타낸 플로우차트이다. 상기한 과정에 의해 수트의 질량이 계산되면(S1), 계산된 질량값으로 재생 여부를 판정하게 된다(S2). 재생은 통상 수트의 질량(mSoot)이 문턱값(예를 들면 30g)보다 클 경우 이루어진다.

도 4는 매핑에 의해 산출된 수트의 질량값이 시간의 경과에 따라 어떻게 변화하는지를 나타낸 그래프이다. e는 산출된 수트의 질량값에 의거하여 예상할 수 있는 수트의 질량값이다. 그래프에 도시된 바와 같은 수트 질량의 요동은 센서의 편차, 누출(leaking), 수트 퇴적 패턴, 각종 보정 불량, 온도 차이, 배기계의 차이 등이 원인이 되어 발생한다.

상기한 CPF(또는 DPF) 재생 제어방법은 센서 등에 의해 얻어진 측정값을 기초한 계산에 의해 얻어진 resFlow값, dvol값, Tsurf값을 PT1에 의해 필터링처리하여 수트의 질량을 매핑하기는 하지만, 여전히 매핑된 수트의 질량(mSoot)이 비정상적으로 상승하거나 하강하는 구간(도 4의 c, d 부분 참조)이 존재하기 때문에 매핑된 수트의 질량(mSoot) 수치가 실제 퇴적되어 있을 수트의 질량의 예상 범위에서 크게 벗어나버리는 경우가 발생하고 이는 필터 재생 제어에 오작동을 일으키게 된다.

수트의 질량이 과도하게 계측되고 그 값이 문턱값을 넘어버려 적정시기보다 일찍 필터의 재생이 이루어지면 연료의 소모가 크고 오일 열화 등이 일어날 수 있다. 또한 수트의 질량이 과소하게 계측되어 그 값이 문턱값을 늦게 넘어 적정시기보다 늦게 필터 재생이 이루어지면 과다 퇴적된 수트가 연소되면서 발생하는 열 때문에 CPF가 녹아버리는 등의 문제점이 발생한다.

따라서 본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 수트 양의 거동을 필터링하여 평균적 거동을 구하여 수트 양의 거동의 변화를 제한함으로써 적절한 시기에 필터 재생이 이루어지도록 하여 재생시기가 잘못 결정되어 발생할 수 있는 연료소모, 오일 열화, CPF 녹음(melting)을 예방하는 CPF 재생 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 CPF 내에 퇴적된 수트의 양을 산출하 여 CPF 재생을 제어하는 방법으로서, 상하한 제한치(상하한 limit)를 설정하는 제한치 설정 단계; 산출된 수트의 양(mSoot)을 필터 처리하여 수트필터값(mSootFlt)을 결정하는 수트필터값 결정 단계; 산출된 수트의 양이 수트필터값에 상한 제한치(상한 limit)를 가산한 값보다 큰 경우에는 수트필터값에 상한 제한치를 가산한 값을 최종 수트의 양(mSootLim) 으로 하고, 산출된 수트의 양이 수트필터값에서 하한 제한치(하한 limit)를 감산한 값보다 작은 경우에는 수트필터값에서 하한 제한치를 감산한 값을 최종 수트의 양으로 하고, 산출된 수트의 양이 수트필터값에서 하한 제한치를 감산한 값과 수트필터값에 상한 제한치를 가산한 값 사이에 존재하는 경우에는 산출된 수트의 양을 최종 수트의 양으로 하는 최종 수트 양 결정단계; 결정된 최종 수트의 양을 기초로 CPF 필터의 재생 여부를 결정하는 재생 제어단계; 로 이루어진다.

이러한 제어방법은 산출된 수트의 양이 비정상적으로 급상승하거나 급하강하여 수트필터값에 상하한 제한치를 넘기는 경우 이를 오검출로 간주하여 최종 수트의 양을 수트필터값에 상하한 제한치를 넘기지 않도록 한정함으로써 수트의 양 산출시 발생할 수 있는 오류를 보정하여 산출된 수트의 양이 실제의 양에 가까운 값이 되도록 할 수 있다.

또한, 상기 제한치 설정 단계는 운전조건을 판단하여 상하한 제한치를 설정하도록 할 수 있다. 이는 일률적으로 상하한 제한치를 설정하는 것보다 운전 조건에 따라 발생할 수 있는 수트 퇴적량의 산포 정도를 감안하여 상하한 제한치를 설정함으로써 보다 정확한 수트 양 측정 오류 보정이 이루어지도록 할 수 있다.

여기서, 상기 운전조건의 판단에 의한 상하한 제한치 설정은, CPF를 지나는 배기 유량의 체적(dvol)의 단위시간당 변화량을 산출하는 단계; 수트에 영향을 주는 고장이 있는지 여부를 확인하는 단계; 단위시간당 CPF를 지나는 배기 유량의 체적의 변화량(△dvol)이 과도판정치보다 큰지 여부를 판단하는 단계; 수트에 영향을 주는 고장이 없으면 정상 상태, 고장이 있으면 고장 상태로 판단하고, 단위시간당 CPF를 지나는 배기 유량의 체적의 변화량(△dvol)이 과도판정치보다 크지 않으면 정속 상태, 크면 과도 상태로 판단하는 단계; 판단된 운전조건에 따라 상하한 제한치를 설정하는 단계;로 이루어질 수 있다.

이는 차량에 있어서 수트 발생량에 영향을 줄 수 있는 고장이 발생하였는지 여부와, 운전자의 운전 상태를 판단하여 상하한 제한치를 탄력적으로 설정함으로써 보다 정확한 수트 양 측정 오류 보정이 이루어지도록 하는 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 CPF 재생 제어방법의 일실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에 의한 CPF 재생 제어방법을 이용하였을 때 도 4의 수트의 질량값의 변화된 거동을 나타낸 그래프, 도 6은 본 발명에 있어서 운전조건을 결정하는 과정을 나타낸 플로우차트, 그리고 도 7은 본 발명에 의한 CPF의 재생과정을 나타낸 플로우차트이다.

실시예에서는, 종래와 같은 방법에 의해 산출되는 수트의 양은 산포(variation)가 크기 때문에, 측정 현재 수트의 양이라고 여겨질 수 있을 정도의 기준값을 설정하고, 그 기준값에서 측정 당시의 운전 조건에서 발생할 수 있는 통상 적인 수트의 양을 기준치로부터 허용될 수 있는 변동의 제한치로 설정하여, 비상식적으로 수트의 양이 급상승하거나 급하강하여 제한치를 벗어나버리는 경우 실제 산출된 수트의 양을 배제하고 제한치까지만 수트의 양을 인정하여 그 값을 최종 수트의 양으로 결정한 후 거기에 기초하여 CPF 재생 제어를 하는 방법을 소개한다.

즉 도 5를 참조하면, 시간(t)의 흐름에 따라 변화하는 수트의 양(mSoot)은 그래프에서 점선으로 나타난 바와 같이 산포가 크다. 특히 f 시간대와 g 시간대에서는 상승폭과 하강폭이 비정상적으로 크다. 종래에는 이렇게 비정상적으로 큰 상승하강에 있어서도 그 수트의 양을 기초로 하여 필터의 재생 시기를 결정하였기 때문에 문제가 있었다.

그리하여 본 발명에서는, 가는 일점쇄선으로 표시한 바와 같이 수트의 양(mSoot)을 필터 처리한 수트필터값(mSootFlt)을 기준값으로 하고, 거기에 운전조건에 따라 발생할 수 있는 최대 수트 양을 대략적으로 감안하여 상한 제한치와 하한 제한치(통칭하여 상하한 제한치)를 설정하며, 산출된 수트의 양(mSoot)이 상하한 제한치를 넘는 경우 최종 수트의 양(mSootLim)을 상하한 제한치까지로 제한하여 비정상적인 수트 양의 거동을 배제하게 된다.

여기서 수트의 양(mSoot)의 필터 처리는 적절하게 필터값(PT1)을 조절하여 완만한 수트 양 변화는 적절히 추종하게 하고 과도한 수트 양 변화는 천천히 추종하도록 매핑한다.

도 6을 참조하여 운전조건을 어떻게 결정하는지 설명한다. 정속운전상태인지 과도운전상태인지 판단하기 위해 먼저, CPF를 지나는 배기유량의 체적(dvol)의 단 위시간당 변화량(△dvol)을 계산한다(S10). CPF를 지나는 배기유량의 체적(dvol)을 구하는 방법은 종래기술에 설명한 바와 같으므로 이는 생략한다.

CPF를 지나는 배기유량 체적의 단위시간당 변화량(△dvol)이 미리 설정한 과도판정치보다 작은 경우 운전조건이 정속상태라고 판단할 수 있으며, 반대로 CPF를 지나는 배기유량 체적의 단위시간당 변화량(△dvol)이 미리 설정한 과도판정치보다 큰 경우 운전조건이 과도상태라고 판단할 수 있다.

다음으로 수트 발생량에 영향을 주는 고장이 있는지 확인한다(S11). 수트 발생량에 영향을 주는 고장은 예를 들면 엔진 분사시기, 분사량 제어 계통의 고장 등이 있다. 고장이 없으면 운전조건이 정상상태, 고장이 있으면 운전조건이 고장상태가 된다.

이러한 두가지 조건을 모두 감안하면 운전조건은 ①정상 정속 상태, ②정상 과도 상태, ③고장 정속 상태, ④고장 과도 상태로 구분할 수 있다.

정상 정속 상태의 경우가 가장 수트의 발생양이 적은 경우이므로 이 경우를 베이스로 하여 상하한 제한치를 설정한다. 예를 들면

①정상 정속 상태시 상하한 제한치 = 상하한 기본값

②정상 과도 상태시 상하한 제한치 = 상하한 기본값 + 과도 보정값

③고장 정속 상태시 상하한 제한치 = 상하한 기본값 + 고장 보정값

④고장 과도 상태시 상하한 제한치 = 상하한 기본값 + 고장 과도 보정값

과 같이 운전조건에 따라 적합한 상하한 제한치를 설정할 수 있다.

다음으로 도 7을 참조하여 본 발명에 따른 일실시예로서 CPF 필터 재생 시기 제어방법을 설명한다.

먼저 산출되고 있는 수트의 양(mSoot)을 PT1 필터 처리하여 수트필터값(mSootFlt)을 구한다(S20). 그리고 도 6과 관련하여 설명한 과정에 의해 결정된 운전조건에 따라 알맞은 상하한 제한치(상하한 limit)를 결정한다(S21).

다음은 현재 산출되고 있는 수트의 양(mSoot)이 수트필터값(mSootFlt)으로부터 허용되는 상하한 제한치(상하한 limit)를 벗어나는지 판단하여 상하한 제한치를 벗어나는 경우 그 제한치까지만 수트의 양을 설정하는 단계이다. 즉, 산출된 수트의 양(mSoot)이 수트필터값(mSootFlt)에 상한 제한치(상한 limit)를 가산한 값보다 큰 경우에는 수트필터값(mSootFlt)에 상한 제한치를 가산한 값을 최종 수트의 양(mSootLim) 으로 하고(S22), 산출된 수트의 양(mSoot)이 수트필터값(mSootFlt)에서 하한 제한치(하한 limit)를 감산한 값보다 작은 경우에는 수트필터값(mSootFlt)에서 하한 제한치를 감산한 값을 최종 수트의 양(mSootLim)으로 하고(S23), 산출된 수트의 양(mSoot)이 수트필터값(mSootFlt)에서 하한 제한치를 감산한 값과 수트필터값(mSootFlt)에 상한 제한치를 가산한 값 사이에 존재하는 경우에는 산출된 수트의 양(mSoot)을 최종 수트의 양(mSootLim)으로 함으로써(S24), 산출된 수트의 양(mSoot)이 비정상적으로 급상승하거나 급하강하는 경우 이를 오검출에 의한 오차로 판단하여 배제하는 것이다. 이렇게 오검출에 의한 오차를 배제하면 도 5에 f 구간 및 g 구간에 굵은 실선으로 도시된 바와 같이 상하한 제한치(상하한 limit)를 넘지 않는 최종 수트의 양(mSootLim)이 결정된다.

이와 같이 최종 수트의 양(mSootLim)이 결정되면 이를 기준으로 CPF의 재생 제어를 하게 된다(S25). 따라서 이러한 제어방법은 오검출로 인한 수트 양의 급상승이나 급하강에 의해 CPF 필터의 재생시기가 오판되어 발생할 수 있는 문제점을 예방할 수 있다.

이상, 상술한 바와 같이, 본 발명의 CPF 재생 제어방법은 산출된 수트의 양을 필터 처리하여 기준값을 설정하고 수트 발생량에 영향을 주는 운전 조건을 감안하여 기준값으로부터 오차로 인정할 수 있는 제한치를 설정하여 비정상적으로 급상승하거나 급하강하는 수트 양을 오류로 간주하고 이를 배제하여 실제 수트 퇴적량에 가까운 값으로 수트 양이 산출되도록 함으로써 보다 정확하고 적정한 시기에 CPF의 재생이 이루어지도록 제어할 수 있기 때문에, 적정 시기보다 이른 때 재생을 실시하여 발생할 수 있는 연료 소모나 오일 열화를 예방하고 적정시기보다 늦은 때 재생을 실시하여 발생할 수 있는 CPF의 녹음 현상을 예방할 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정하는 것이 아니고, CPF, DPF 등 PM(particulated matters)이나 수트 등을 걸러주는 필터의 재생과정에 있어서 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 한 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 당업자에게 자명하다고 할 수 있는 바, 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것이다.

Claims (3)

1. CPF 내에 퇴적된 수트의 양을 산출하여 CPF 재생을 제어하는 방법으로서,

   상하한 제한치(상하한 limit)를 설정하는 제한치 설정 단계;

   산출된 수트의 양(mSoot)을 필터 처리하여 수트필터값(mSootFlt)을 결정하는 수트필터값 결정 단계;

   산출된 수트의 양이 수트필터값에 상한 제한치(상한 limit)를 가산한 값보다 큰 경우에는 수트필터값에 상한 제한치를 가산한 값을 최종 수트의 양(mSootLim) 으로 하고, 산출된 수트의 양이 수트필터값에서 하한 제한치(하한 limit)를 감산한 값보다 작은 경우에는 수트필터값에서 하한 제한치를 감산한 값을 최종 수트의 양으로 하고, 산출된 수트의 양이 수트필터값에서 하한 제한치를 감산한 값과 수트필터값에 상한 제한치를 가산한 값 사이에 존재하는 경우에는 산출된 수트의 양을 최종 수트의 양으로 하는 최종 수트 양 결정단계;

   결정된 최종 수트의 양을 기초로 CPF 필터의 재생 여부를 결정하는 재생 제어단계;

   로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CPF 필터 재생 제어방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제한치 설정 단계는 운전조건을 판단하여 상하한 제한치를 설정하는 것을 특징으로 하는 CPF 필터 재생 제어방법.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 운전조건의 판단에 의한 상하한 제한치 설정은,

   CPF를 지나는 배기 유량의 체적(dvol)의 단위시간당 변화량을 산출하는 단계;

   수트에 영향을 주는 고장이 있는지 여부를 확인하는 단계;

   단위시간당 CPF를 지나는 배기 유량의 체적의 변화량(△dvol)이 과도판정치보다 큰지 여부를 판단하는 단계;

   수트에 영향을 주는 고장이 없으면 정상 상태, 고장이 있으면 고장 상태로 판단하고, 단위시간당 CPF를 지나는 배기 유량의 체적의 변화량(△dvol)이 과도판정치보다 크지 않으면 정속 상태, 크면 과도 상태로 판단하는 단계;

   판단된 운전조건에 따라 상하한 제한치를 설정하는 단계;로 이루어지는 것을 특징으로 하는 CPF 필터 재생 제어방법.

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