KR101021354B1

KR101021354B1 - 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법

Info

Publication number: KR101021354B1
Application number: KR1020057006562A
Authority: KR
Inventors: 마티아스 슈텍마이어; 위르겐 조위카; 미카엘 발터; 토마스 짜인; 안드레아스 크라우터; 홀거 플로테
Original assignee: 로베르트 보쉬 게엠베하
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2003-07-11
Publication date: 2011-03-14
Also published as: WO2004040103A1; CN1633551A; CN100422519C; US20050178207A1; KR20050061542A; DE10248431A1; JP2006503226A; EP1563170A1; DE50313353D1; EP1563170B1

Abstract

본 발명은 입자 필터(10), 특히 입자 필터(10)의 유동 저항을 특성화하기 위한 인자가 입자 필터(10) 내의 온도와 입자 필터(10) 내의 압력으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는 내연기관으로부터의 배기가스를 여과하기 위한 입자 필터(10)의 충전의 감지를 위한 방법에 관한 것이다. 입자 필터(10)의 충전은 유동 저항으로부터 결정된다.

입자 필터, 유동 저항, 유동 방향, 내연기관, 배기가스, 특성인자

Description

입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법{METHOD FOR RECOGNITION OF THE LOADING OF A PARTICLE FILTER}

본 발명은 입자 필터, 특히 내연기관의 배기가스의 여과를 위한 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법에 관한 것이다.

독일 특허공보 제100 14 224 A1호로부터 배기가스 사후처리 시스템을 갖는 내연기관의 제어를 위한 방법 및 장치가 개시된다. 여기서는 배기가스 사후처리 시스템의 상태를 나타내는 인자가 내연기관의 적어도 하나의 작동 특성 인자에 따라 결정된다.

독일 특허공보 제101 00 418 A1호로부터 배기가스 사후처리 시스템의 제어를 위한 방법 및 장치가 개시된다. 여기서는 내연기관이 제1 작동상태에 있을 경우에 배기가스 사후처리 시스템의 상태를 나타내는 상태 인자가 적어도 배기가스 사후처리 시스템의 이전 압력과 이후 압력 사이의 압력차에 따라 사전 설정 가능하고, 제2 작동 상태에 있을 경우에 배기가스 사후처리 시스템을 나타내는 상태 인자가 내연기관의 적어도 하나의 작동 특성 인자에 따라 시뮬레이션된다. 여기서, 바람직하게는 배기가스 유동률, 회전 속도, 분사된 연료량, 공급된 공기량 또는 운전자의 의도에 따르는 인자가 작동 특성 인자로서 사용된다. 이 배기가스 사후처리 시스템에서 입자 필터의 충전 상태는 압력차에 따라 결정된다. 이를 통하여 매우 정확한 충전 상태의 검출이 가능하다. 반면, 제2 작동 상태에서는 충전 상태의 시뮬레이션이 실행된다. 이러한 제2 작동 상태는 예컨대, 측정 인자가 특정 작동 상태에서 정확하지 않기 때문에, 정확한 검출을 허용하지 않는 것을 특징으로 한다. 여기서 상기 특정 작동 상태는 특히 배기가스 유동률이 작은 값을 갖는 경우이다. 입자 필터를 통한 압력 구배의 검출을 통하여, 입자 필터 내부에 수집된 그을음량의 추정이 가능하다. 그러나, 필터를 통한 측정 압력차는 필터 내의 유동 상태 및 특히 배기가스 유동률에 의존하는데, 이들은 고려되지 않는다.

본 발명의 목적은 입자 필터 충전의 감지 정확성의 추가적인 개선을 가능케하고, 또한 특히 입자 필터를 통하여 유동하는 배기가스 유동률을 고려하는 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법을 제공하는 것이다.

이러한 목적은 청구항 제1항의 특징에 의하여 해결된다. 본 발명의 방법의 양호한 실시예들은 종속 청구항들의 대상이다.
본 발명의 기본적인 사상은 충전을 위한 특징적인 인자로서, 필터를 통한 압력 손실의 검출 및 필터를 통한 배기가스 유동률의 결정에 의하여 결정되는 필터의 유동 저항을 사용하는 것이다. 이러한 방식으로 작동점과 무관한 충전 특성인자의 결정이 가능해진다. 즉, 입자 필터의 충전 상태가 엔진 부하점과 무관하게 결정된다.

입자 필터 내의 온도는 양호하게는 입자 필터의 전후의 유동 방향에서 온도 센서에 의해 얻어진 온도에 따라 모델을 통하여 결정된다.

온도는 단지 단일의 온도 센서만이 요구되는 본 방법의 다른 실시예에서도 입자 필터 이전의 유동 방향에서 얻어진 온도에 따라 모델을 통하여 반복적으로 결정될 수 있다.

입자 필터 내의 압력의 결정을 위하여 바람직하게는 입자 필터를 통한 압력차가 결정되고, 이 압력차로부터 압력이 입자 필터 내에서 상기 압력에 영향을 미치는 다른 인자를 고려하여 모델화된다.

또한, 입자 필터 내의 압력의 결정을 위하여 입자 필터 이전의 압력이 얻어지고, 이 압력으로부터 압력이 입자 필터 내에서 상기 압력에 영향을 미치는 다른 인자를 고려하여 모델화되는 것이 제공될 수 있다.

이러한 방법의 장점, 즉 필터 내의 관계, 특히 필터 내의 온도와 압력의 계산을 위하여 측정된 물리적 특성 인자를 사용하는 것의 장점은 매우 높은 정확도로 충전 상태의 결정을 가능케 한다.

본 발명의 다른 장점 및 특징이 본 발명의 실시예의 도면과 후술하는 설명에 의해 구체화된다.

도1에는 본 발명에 따른 방법이 구현된 입자 필터가 개략적으로 도시된다.

도2는 도1에 도시된 입자 필터의 유동 저항의 정의를 개략적으로 보여준다.

배기가스(화살표(30)에 의하여 개략적으로 도시됨)는 배기가스 도관(20)을 통하여 입자 필터(10)로 도입된다. 필터(10)에서 정화된 배기가스는 도관(22)을 통하여 대기에 도달한다. 필터(10)는 예컨대, 독일 특허공보 제100 14 225 A1호, 특히 제1 컬럼 제67행 내지 제3 컬럼에 설명된 바와 같이, 배기가스 사후처리 시스템 내에 배치될 수 있다. 상기 독일 출원의 내용은 본 출원에 포함된다.

입자 필터(10) 내의 유동 상태가 도2에 개략적으로 도시된다. 관류하는 필터 내의 압력 손실은 소위 다르시(Darcy) 법칙에 의해서 대략적으로 결정된다. 여기서 필터(10)는 다공성 매체로 이루어진다. 유동이 정적이라고 가정하고, 다르시 법칙의 2차 수정 및 유입 및 유출 유동 손실을 무시함으로써 다음과 같은 압력 구배가 얻어진다.

-dp/dx = (υ/K)*u

여기서 υ는 가스의 점도(viscosity)이고, K는 필터(10)의 투과율(permeability)이고, u는 유동 가스의 속도이다. 입자 필터(10)의 유동 저항(resflow_DPF)은 필터(10)를 통한 압력차와 필터(10)를 관통하여 유동하는 배기가스 유동률의 비율로써 얻어진다.

resflow_DPF = (p_vDPF - p_nDPF) / (dV_Abgas/dt) = △p_DPF/ (dV_Abgas/dt)

여기서, p_vDPF는 필터 전방의 압력이고, p_nDPF는 필터 후방의 압력이고, dV_Abgas/dt는 배가가스의 유동률이다. 이 배기가스 유동률은 다음 식으로부터 얻어질 수 있다. 여기서 공기의 질량 유동률(dm_Luft/dt)은 공기 질량 측정기에 의하여, 또한 연료의 질량 유동률은, 예컨대 디젤 연료의 질량 유동률(dm_Diesel/dt)은 제어기 내에서 결정될 수 있다.

dV_Abgas/dt = ((dm_Luft/dt) + (dm_Diesel/dt)) * R * T/p

가스의 점도(v)도 온도에 의존한다는 것을 고려하면, 전술한 식과 U * A = dV_Abgas/dt의 관계식으로부터 다음과 같은 유동 저항의 관계식이 얻어진다.

resflow_DPF = △p_DPF / (dV_Abgas/dt) = (L * υ(T))/(A * K)

여기서 L은 필터(10)의 길이이고, A는 필터(10)의 단면적을 의미한다. 필터(10)의 단면적은 변화하지 않고, 그와 함께 필터(10)의 변수를 나타낸다. 상기 관계식은 필터(10)에 그을음이 충전되지 않을 경우 유효하다. 필터(10)가 그을음으로 충전되면 투과율(K) 및 이와 함께 유동 저항(resflow_DPF)이 변화된다. 충전에 의존하는 투과율(K^*)로부터 다음과 같은 유동 저항의 관계식이 얻어진다.

resflow^* _DPF = △p_DPF ^* / (dV_Abgas/dt)* (υ(T₀)/υ(T)) = (L/A) * (υ(T₀)/K^*) = const/K^*

이 식은 충전에 따라 투과율 및 이와 함께 입자 필터(10)의 유동 저항이 변화된다. 여기서 유동 저항의 결정을 위하여, 필터(10) 내의 온도(T)와 압력(p)을 알아야만 한다. 이들을 얻기 위하여, 이제 몇몇 절차가 제공된다.

예컨대, 필터(10) 내의 온도를 얻기 위하여, 배기가스 유동 방향으로 필터 (10) 전방에 온도 센서(40)가, 필터(10) 후방에 온도 센서(50)가 배치된다. 필터(10)의 전방에서 온도(T_vDPF)를, 필터(10)의 후방에서 온도(T_nDPF)를 얻고, 이 두 온도의 평균을 구함으로써, 중간 가스온도(T_{GAS_mittel})가 결정될 수 있다.

T_{GAS_mittel} = 0.5 * (T_vDPF + T_nDPF)

필터 재료를 관통하여 유동 시에 배기가스 온도가 필터(10)의 온도에 상응하다는 가정 하에, 모델화의 개선을 위하여 필터(10)에서 열적 평형이 유지된다. 여기서 이러한 모델화는 후술하는 계산식에 따라 얻어진다.

T_DPF = (1/C_DPF) * ∫(dm_Abgas)/dt) * c_pAgas * (T_nDPF - T_vDPF) * dt

여기서 C_DPF는 필터의 특정 열용량을 의미하고, c_pAgas는 배기가스 질량 유동률(dm_Abgas/dt)의 열용량을 의미한다.

다른 실시예에서는 온도 센서(40)만이 필터(10) 전방에서 사용된다. 이러한 경우, 필터(10) 후방의 온도의 결정은 전술한 식을 기초로 하여 다음 식에 따라서 반복적으로 이루어진다.

T_nDPF = (T_DPF * β) + (T_nDPF * (1-β))

여기서 처음 계산 시 제어기(도시 안 됨) 내에서 입자 필터 온도(T_DPF)가 초기값에 의하여 미리 결정된다. 2회째 반복 단계부터는 이전 단계의 온도(T_DPF)가 사용된다. 이는 필터(10)의 온도가 모델을 계산하는 데 소요된 시간보다 매우 큰 시간 스케일로 변경되기 때문이다. 여기서 사용된 인자(β)는 필터(10)와의 열교환 시 배기가스 유동의 비율에 관한 것이다. 따라서, 보수(1-β)는 열교환 없이 필터(10)를 통과한 배기가스의 비율이다.

필터 내의 압력(p_DPF)이 후술하는 방법에 의하여 결정된다. 통상적으로 압력 센서(60)는 유동 방향에서 필터(10) 이전에 존재하고, 압력 센서(70)는 유동 방향에서 필터(10) 이후에 존재한다. 또는 필터(10)의 압력 손실을 지시하는 필터(10)를 통한 압력차를 검출하는 압력차 센서가 필터(10)를 통하여 존재한다. 또한, 필터(10) 내의 압력의 결정을 위하여 유동 방향에서 필터(10) 이전에 위치한 압력 센서(60) 만이 사용될 수도 있다.

필터(10) 내의 압력(p_DPF)은 대기압(p_atm), 도관(22) 내에 배치되는 소음기(도시 안됨)의 압력 손실(△p_{Schalldaempfer}) 및 필터에 의한 압력 손실(△p_DPF)로부터 다음 식에 따라 얻어진다.

p_DPF = p_atm + △p_{Schalldaempfer} + 0.5^*△p_DPF

입자 필터(10) 이전에 절대압력 센서(60)만이 제공될 경우에, 다음 식에 따른다.

p_DPF = 0.5^*(p_atm + △p_{Schalldaempfer} + △p_DPF)

내연기관의 배기가스 사후처리 시스템 내에서 필터(10)의 사용 시, 충전 상태가 엔진 부하점과 무관하게 정해질 수 있다는 전술한 방법의 큰 장점이 제공된다. 측정된 물리적 특성 인자를 필터(10) 내의 상태를 나타내는 인자로 변환함으로써, 충전 상태 결정의 매우 높은 정확성이 달성된다.

Claims

입자 필터(10)의 유동 저항을 나타내는 인자가 입자 필터(10) 내의 온도(TDPF)와 입자 필터(10) 내의 압력(p)에 따라 결정되고, 입자 필터(10)의 충전은 유동 저항으로부터 결정되는 입자 필터(10)의 충전의 감지를 위한 방법에 있어서,

온도(TvDPF)는 적어도 입자 필터(10) 전방의 상류에서 측정되며, 입자 필터(10) 내의 온도(TDPF)는 측정된 온도(TvDPF)에 따라 입자 필터(10)의 온도 모델을 통해 결정되며, 상기 온도 모델은 입자 필터(10)의 열용량(CpDPF), 배기가스의 열용량(CpAbgas) 및 배기가스 질량 유동률(dmAbgas/dt)을 고려하는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법.
제1항에 있어서, 온도(TnDPF)가 입자 필터(10) 후방의 하류에서 추가로 측정되고, 입자 필터(10) 내의 온도(TDPF)는 측정된 온도(TvDPF, TnDPF)에 따라 입자 필터(10)의 온도 모델을 통해 결정되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법.
제1항에 있어서, 입자 필터(10) 내의 온도(TDPF)는 입자 필터(10) 전방의 상류의 온도(TvDPF)에 따라 반복적으로 결정되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법.
제1항에 있어서, 입자 필터(10) 내의 압력(PDPF)의 결정을 위하여, 입자 필터(10)를 통한 압력차(△p)가 결정되고, 이 압력차(△p)로부터 입자 필터(10) 내의 압력(PDPF)이 입자 필터(10)의 압력 모델에 의해 모델화되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법.
제1항에 있어서, 입자 필터(10) 내의 압력(PDPF)의 결정을 위하여, 입자 필터(10) 전방의 상류의 압력(PvDPF)이 측정되고, 이 압력(PvDPF)으로부터 입자 필터(10) 내의 압력(PDPF)이 입자 필터(10)의 압력 모델에 의해 모델화되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법.
제1항에 있어서, 상기 입자 필터(10)는 엔진의 배기가스 여과를 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 입자 필터의 충전의 감지를 위한 방법.