KR100888304B1 - 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법에 관한 것으로서, 본 발명은, 엔진의 운전조건이 일정한 아이들 상태로 동작하고 있을 때 DPF필터 내의 매연을 제거하는 서비스 재생 구간에서, 배기가스 유량인 G_exh, DPF필터 내부의 압력인 P_filt, DPF필터 내부의 온도인 T_exh, DPF필터 내부의 산소농도인 O₂, DPF필터의 전단과 후단간의 차압인 dP를 측정하는 제1단계와, 운전시간과 운전조건의 함수로 된 차압모델에 상기에서 측정한 G_exh, P_filt, T_exh, dP를 적용하여 매연 퇴적량인 M_soot을 산출하는 제2단계와, DPF필터 내부 차압의 시간 감소율을 이용하여 상기 서비스 재생 구간에서의 매연 퇴적량인 M_{soot_1}을 산출하는 제3단계와, 상기에서 산출한 M_soot 과 M_{soot_1}의 차이를 비교하여 보정 초기차압인 dP₀'를 산출하는 제4단계와, 상기 차압모델을 이용해 매연 퇴적량 M_soot을 산출하는 경우, 상기 산출한 보정 초기차압 dP₀'을 반영하여 매연 퇴적량 M_soot을 산출하는 제5단계를 포함한다.

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Description

매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법{Method for estimating quantity of diesel particulate in DPF}

본 발명은 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법에 관한 것이다.

클린(clean) 디젤을 목표로 하고 있는 최근의 디젤 차량에서 매연포집필터(DPF;Diesel Particulate Filter)는 매연의 배출을 가솔린 엔진 이하의 수준으로 유지하기 위해서 필수적으로 장착되어야 할 장치로 인식되고 있다. DPF필터를 장착한 디젤 차량에서 매연의 배출을 억제하는 방법은 배출되는 매연을 필터로 포집하고 일정량 이상이 쌓였을 경우 산화반응으로 포집된 매연을 제거하는 일련의 재생 과정으로 이루어지는데, 이때 재생과정의 재생모드는 산화 반응을 위하여 필터 내의 온도를 일정 온도 이상으로 높여야 하기 때문에 연비 악화를 수반하게 된다.

따라서 DPF필터(매연포집필터)의 효율을 높이기 위해서는 필터 내의 매연 퇴적량을 정화하게 예측하여 재생 과정을 제어해야 하지만, 필터의 열화현상과 엔진 오일의 희석(dilution)으로 발생하는 매연재(ash)의 퇴적으로 인한 필터의 노후화(aging) 현상으로 인하여, 매연의 최대 퇴적량은 시간에 따라 감소하기 때문에 정확한 예측에는 많은 어려움이 있다.

디젤엔진에서 매연 퇴적량은 필터 전단과 후단의 압력 차이를 계산하여 매연의 퇴적량을 예측하는 차압모델을 이용하여 계산된다. 도 1에서 매연이 유입되는 전단(11)과 유출되는 후단(12)의 위치의 압력센서에서 측정된 압력의 차압(dP)을 측정하여 매연의 절대량을 예측하게 되는데, 차량에서는 실시간으로 차압(dP)을 측정하여 최대 매연 퇴적량에 해당하는 최대차압(dP_max)을 넘어설 때 재생모드로 전환하여 포집된 매연을 산화시키게 된다.

DPF필터는 열화 및 오일 매연재에 의한 노후화(aging) 현상으로 도 1의 부호 13의 영역과 같이 매연을 포집할 수 없는 영역이 시간에 따라 증가하게 된다. 종래의 매연 퇴적량 예측 로직에서는 DPF필터의 노후화 현상을 고려하기 위하여 운전 시간과 운전 조건의 함수로 매연 퇴적량을 보정하였지만, 이는 일반적이고 포괄적인 보정이기 때문에 정확한 예측에는 한계를 가지고 있다.

본 발명은 DPF필터의 노후화 현상을 고려한 매연 퇴적량 산출이 이루어질 수 있도록 하는 보정 방안을 제안한다.

본 발명은, 엔진의 운전조건이 일정한 아이들 상태로 동작하고 있을 때 DPF필터 내의 매연을 제거하는 서비스 재생 구간에서, 배기가스 유량인 G_exh, DPF필터 내부의 압력인 P_filt, DPF필터 내부의 온도인 T_exh, DPF필터 내부의 산소농도인 O₂, DPF필터의 전단과 후단간의 차압인 dP를 측정하는 제1단계와, 운전시간과 운전조건의 함수로 된 차압모델에 상기에서 측정한 G_exh, P_filt, T_exh, dP를 적용하여 매연 퇴적량인 M_soot을 산출하는 제2단계와, DPF필터 내부 차압의 시간 감소율을 이용하여 상기 서비스 재생 구간에서의 매연 퇴적량인 M_{soot _1}을 산출하는 제3단계와, 상기에서 산출한 M_soot 과 M_{soot _1}의 차이를 비교하여 보정 초기차압인 dP₀'를 산출하는 제4단계와, 상기 차압모델을 이용해 매연 퇴적량 M_soot을 산출하는 경우, 상기 산출한 보정 초기차압 dP₀'을 반영하여 매연 퇴적량 M_soot을 산출하는 제5단계를 포함한다.

또한, 상기 제2단계는, DPF필터의 고유상수를 A, 매연이 쌓이기 직전 최초의 DPF필터의 전단과 후단간의 초기차압을 dP₀라고 할 때, 운전시간과 운전조건의 함수로 된 M_soot = A(dP-dP₀)P_filt/(G_exhT_exh)의 차압모델을 통해 매연 퇴적량인 M_soot을 산출함을 특징으로 한다.

또한, 상기 제3단계는, a, b는 농도 몰수, R은 기체상수, E_a는 매연이 발생하는데 필요한 활성화 에너지라 할 때, M_{soot _1} = A/(G_exhT_exh)[[O₂]^bexp(-E_a/RT_exh)]*[P_filt(dP/dt)-dP₀(P_filt/dt)]에 의하여 상기 서비스 재생 구간에서의 매연 퇴적량인 M_{soot _1}을 산출한다.

또한, 상기 제4단계는, dP₀' = dP₀ + (M_soot - M_{soot _1})*G_exhT_exh/(P_filt/A)에 의하 여 보정 초기차압인 dP₀'를 산출한다.

또한, 상기 제5단계는, M_soot = A(dP-dP₀)P_filt/(G_exhT_exh)의 차압모델에, 초기차압인 dP₀ 대신에 상기 제4단계에서 산출한 보정 초기차압 dP₀'을 반영 대입하여 매연 퇴적량 M_soot을 산출한다.

또한, 상기 서비스 재생 구간에서는 배기가스 유량 G_exh, DPF필터 내부의 온도 T_exh, DPF필터 내부의 산소농도인 O₂가 일정 상수값으로 됨을 특징으로 한다.

본 발명은 종래의 차압모델에서의 매연 퇴적량과 서비스 재생 구간에서의 매연 퇴적량을 비교하여 초기배압을 증대시키는 보정을 수행함으로써, DPF필터 내부에 퇴적되어 있는 매연의 퇴적량을 보다 정확하게 예측할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 하기에서 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

도 2는 일반적으로 매연 퇴적량을 예측하는 DPF 차압 로직을 도시한 그림이다.

현재의 매연 퇴적량 예측 로직에서는 도 2와 같이 DPF필터의 노후화 현상을 고려하기 위하여 운전 시간과 운전 조건의 함수로 한 차압모델을 이용하여 매연의 퇴적량인 매연 퇴적량을 보정하고 있는 실정이다.

상기 차압모델에서 매연 퇴적량은 하기 [수식 1]로 계산될 수 있는데, 상기 차압모델에서 산출되는 매연의 최적량(M_soot)은 DPF필터 고유 상수인 A, 배기가스 유량인 G_exh, DPF필터 내부의 압력인 P_filt, DPF필터 내부의 온도인 T_exh, DPF필터 내부의 산소농도인 O₂, DPF필터에 매연이 쌓였을 때의 매연 유입되는 전단과 유출되는 후단의 위치의 압력센서에서 측정된 압력의 차압인 dP, 매연이 쌓이기 직전에 최초 상태에서 전단과 후단에서 측정된 압력의 초기차압인 dP₀로서 나타낼 수 있다.

[수식 1]

M_soot = A(dP-dP₀)P_filt/(G_exhT_exh)

그런데, 상기 [수식 1]의 차압모델에서 계산된 매연의 퇴적량은 초기차압(dP₀)을 DPF필터가 노후화되지 않은 상태에서 맵핑된 값을 적용하기 때문에 DPF필터가 노후화되어 초기차압(dP₀)이 증가되는 것을 예측하지 못하는 단점이 있다.

이에 본 발명은 DPF필터 노후화로 인해 발생되는 초기차압(dP₀)의 증가분을 반영하여 종래의 [수식 1]의 차압모델에서 적용되는 초기차압(dP₀)의 증가분을 예측 산출하는 보정 방안이다.이러한 초기차압(dP₀)의 증가분을 보정하는 과정을 도 3과 함께 상술한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 매연포집필터의 매연퇴적량 산출하는 과정을 도시한 플로차트이다.

이하의 설명에서, 차압모델에서 산출되는 매연의 최적량은 M_soot, 서비스 구간 재생 시에 매연 퇴적량은 M_{soot _1}, 필터 고유 상수는 A, 배기가스 유량은 G_exh, DPF필터 내부의 압력은 P_filt, DPF필터 내부의 온도는 T_exh, DPF필터 내부의 산소농도는 O₂, DPF필터에 매연이 쌓였을 때의 매연 유입되는 전단과 유출되는 후단의 위치의 압력센서에서 측정된 압력의 차압은 dP, 매연이 쌓이기 직전에 최초 상태에서 전단과 후단에서 측정된 압력의 초기차압은 dP₀로 표현할 것이다.

DPF필터의 노후화를 고려하여 초기차압(dP₀)의 증가분을 보정하기 위해서는, 전제조건으로서 서비스 재생 구간에서 측정 및 보정이 이루어져야 한다. 이를 위하여 현재의 운행 모드가 서비스 재생구간인가를 판단(S31)한다.

상기 서비스 재생 구간은 DPF필터에 포집된 매연을 산화 반응으로 제거하는 재생 모드의 구간 중에서, 배기가스의 유량, 온도, 산소의 농도가 일정 값으로 유지되고 있는 조건, 즉, 엔진의 운전조건이 아이들(idle) 상태에서 동일한 조건으로 재생(서비스 재생)이 이루어지는 구간을 말한다.

하기에서 설명하겠지만, 초기차압(dP₀)의 증가분을 보정을 하기 위해 계산되는 매연의 퇴적량 계산에 있어서, 차압과 필터 내부 압력의 시간 변화율에 비례하 는 함수로 계산하는 수학적 과정에 있어서 배기가스의 유량, 온도, 산소의 농도가 일정한 상수로 가정되어야만 하기 때문이다.

재생 모드의 동작이 배기가스의 유량, 온도, 산소의 농도가 일정 값으로 유지되는 서비스 재생 구간에서 이루어지고 있으면, 배기가스 유량인 G_exh, DPF필터 내부의 압력인 P_filt, DPF필터 내부의 온도인 T_exh, DPF필터 내부의 산소농도인 O₂, DPF필터의 전단과 후단 간의 차압인 dP를 측정(S32)한다.

그 후, 도 2 및 상기 [수식 1]을 이용하여 산출되는 차압모델에서의 매연 퇴적량을 계산(S33)한다.

[수식 1]에 의해 차압모델에서의 매연 퇴적량이 계산된 후에는, 엔진의 운전조건이 일정한 아이들(idle) 상태로 되는 서비스 재생 구간에서 배기가스의 유량, 온도, 산소의 농도가 일정한 상수로 되기 때문에 서비스 재생 구간에서의 매연의 퇴적량(M_{soot_1})을 계산(S34)한다.

일반적인 재생모드에서 흡착되는 매연의 감소율은 매연과 산소의 반응으로 이루어지기 때문에 하기 [수식 2]와 같이 화학 반응식의 함수로 표현될 수 있으며, 매연의 감소율은 상기 [수식 1]을 시간의 변수로 미분한 값으로 상기 [수식 3]과 같이 표현될 수 있다.

[수식 2]

dM_soot/dt = [M_soot]^a[O₂]^bexp(-E_a/RT_exh)

(상기에서, a, b는 농도 몰수, R은 기체상수)

[수식 3]

dM_soot/dt = [A(dP-dP₀)P_filt/(G_exhT_exh)]/dt

상기 [수식 2], [수식 3]에서 서비스 재생 구간에서 배기가스의 유량, 온도, 산소의 농도를 일정한 상수로 되기 때문에, 서비스 재생 구간에서의 매연 퇴적량(M_{soot _1})은 하기 수식 4와 같이 차압과 필터 내부 압력의 시간변화율에 비례하는 함수로 계산된다.

[수식 4]

M_{soot _1} = A/(G_exhT_exh)[[O₂]^bexp(-E_a/RT_exh)]*[P_filt(dP/dt)-dP₀(P_filt/dt)]

(상기에서, a, b는 농도 몰수, R은 기체상수, E_a는 매연이 발생하는데 필요한활성화 에너지)

상기 [수식 4]를 이용하여 배기가스의 유량, 온도, 산소의 농도를 일정할 때인 서비스 재생 구간에서의 매연 퇴적량을 계산 후에는, 상기 [수식 4]로부터 계산된 매연 퇴적량을 상기 [수식 1]의 차압모델에서 계산된 매연 총량과 비교하여 하기 [수식 5]와 같이 노후화가 고려된 보정 초기차압(dP₀')을 산출(S35)할 수 있다.

[수식 5]

dP₀' = dP₀ + (M_soot - M_{soot _1})*G_exhT_exh/(P_filt/A)

즉, [수식 1]을 dP에 관해서 풀면, dP = dP₀ + M_soot*G_exhT_exh/(P_filt/A)로 풀 수 있고, 여기에서 M_soot대신에 (M_soot - M_{soot _1})을 대입함으로써 노후화가 고려된 보정 초기차압(dP₀')을 산출(S35)할 수 있다.

상기 [수식 5]를 통해 산출된 보정 초기차압은 차압모델에 초기차압으로 새롭게 적용(S36)되어 차압모델에서 DPF필터의 노후화 현상을 반영하는 방안이 된다. 즉, 추후에 차압모델의 [수식 1]을 이용하여 매연 퇴적량을 산출하고 이에 따라 재생모드로 동작할 때, [수식 1]의 초기차압(dP₀)에 [수식 5]에서 산출한 보정 초기차압(dP₀')을 적용함으로써 매연 퇴적량의 정확한 산출이 가능하여 재생모드의 올바른 동작이 가능하다.

결국, 본 발명은 배기가스의 유량, 온도, 산소의 농도가 일정하게 유지되는 조건인 서비스 재생 구간에서 DPF필터 입력과 DPF필터 차압의 감소율을 측정하여 매연 차압식으로부터 계산한 매연 퇴적량과 차압의 감소율로부터 계산한 매연 퇴적량을 비교하여 이로부터 매연이 퇴적되지 않는 초기차압을 보정하는 과정으로 이루어지는데, 이러한 본 발명의 로직을 이용한다면 필터 내부에 퇴적되어 있는 매연의 총량을 보다 정확하게 예측할 수 있다.

상술한 본 발명의 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형이 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시될 수 있다. 따라서 본 발명의 특허 범위는 상기 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위뿐 아니 라 균등 범위에도 미침은 자명할 것이다.

도 1은 DPF필터의 개략도이다.

도 2는 일반적으로 매연 퇴적량을 예측하는 DPF 차압 로직을 도시한 그림이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 매연포집필터의 매연퇴적량 산출하는 과정을 도시한 플로차트이다.

Claims (6)

1. 엔진의 운전조건이 일정한 아이들 상태로 동작하고 있을 때 DPF필터 내의 매연을 제거하는 서비스 재생 구간에서, 배기가스 유량인 G_exh, DPF필터 내부의 압력인 P_filt, DPF필터 내부의 온도인 T_exh, DPF필터 내부의 산소농도인 O₂, DPF필터의 전단과 후단간의 차압인 dP를 측정하는 제1단계와,

   운전시간과 운전조건의 함수로 된 차압모델에 상기에서 측정한 G_exh, P_filt, T_exh, dP를 적용하여 매연 퇴적량인 M_soot을 산출하는 제2단계와,

   DPF필터 내부 차압의 시간 감소율을 이용하여 상기 서비스 재생 구간에서의 매연 퇴적량인 M_{soot _1}을 산출하는 제3단계와,

   상기에서 산출한 M_soot 과 M_{soot _1}의 차이를 비교하여 보정 초기차압인 dP₀'를 산출하는 제4단계와,

   상기 차압모델을 이용해 매연 퇴적량 M_soot을 산출하는 경우, 상기 산출한 보정 초기차압 dP₀'을 반영하여 매연 퇴적량 M_soot을 산출하는 제5단계

   를 포함하는 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2단계는, DPF필터의 고유상수를 A, 매연이 쌓이기 직전 최초의 DPF필터의 전단과 후단간의 초기차압을 dP₀라고 할 때, 운전시간과 운전조건의 함수로 된 M_soot = A(dP-dP₀)P_filt/(G_exhT_exh)의 차압모델을 통해 매연 퇴적량인 M_soot을 산출함을 특징으로 하는 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 제3단계는, a, b는 농도 몰수, R은 기체상수, E_a는 매연이 발생하는데 필요한 활성화 에너지라 할 때, M_{soot _1} = A/(G_exhT_exh)[[O₂]^bexp(-E_a/RT_exh)]*[P_filt(dP/dt)-dP₀(P_filt/dt)]에 의하여 상기 서비스 재생 구간에서의 매연 퇴적량인 M_{soot _1}을 산출하는 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 제4단계는, dP₀' = dP₀ + (M_soot - M_{soot_1})*G_exhT_exh/(P_filt/A)에 의하여 보정 초기차압인 dP₀'를 산출하는 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 제5단계는, M_soot = A(dP-dP₀)P_filt/(G_exhT_exh)의 차압모델에, 초기차압인 dP₀ 대신에 상기 제4단계에서 산출한 보정 초기차압 dP₀'을 반영 대입하여 매연 퇴적량 M_soot을 산출하는 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 서비스 재생 구간에서는 배기가스 유량 G_exh, DPF필터 내부의 온도 T_exh, DPF필터 내부의 산소농도인 O₂가 일정 상수값으로 됨을 특징으로 하는 매연포집필터의 매연퇴적량 산출 방법.

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