KR101231394B1 - 터보챠저를 이용한 배기가스 후처리 장치 재생 방법 - Google Patents

터보챠저를 이용한 배기가스 후처리 장치 재생 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 터보챠저를 이용한 CPF 재생 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치 재생 방법은 배기가스 후처리 장치의 전후단 압력을 센싱하는 단계; 상기 센싱 결과, 배기가스 후처리 장치의 재생이 필요한지 여부를 확인하는 단계; 배기가스 후처리 장치 재생이 필요한 경우, 터보챠저의 베인을 개방하는 단계; 상기 베인 개방 후 배기가스 후처리 장치 전후단 압력을 센싱하는 단계; 상기 배기가스 후처리 장치 재생 완료여부를 확인하는 단계; 상기 배기가스 후처리 장치 재생이 완료된 경우, 일반 부스트 맵으로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
터보챠저, CPF

Description

터보챠저를 이용한 배기가스 후처리 장치 재생 방법{A reviving method of a catalyzed particulate filter using a turbocharger}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 VGT 구성을 개략적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 터보챠저의 베인이 폐쇄되었을 때, 공기의 흐름을 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 터보챠저의 베인이 개방되었을 때, 공기의 흐름을 나타낸 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 터보챠저를 이용한 CPF 재생 방법을 나타낸 순서도.
본 발명은 터보차져를 이용한 CPF 재생 시스템에 관한 것으로, 특히, 스로틀 밸브 대신하여 터보챠저를 이용 공기의 유량을 조절하여 CPF를 재생시킬 수 있는 터보챠저를 이용한 CPF 재생 방법에 관한 것이다.
유럽의 새로운 경향 차체의 경량화, 주행시 저항의 감소, 구동계의 최적화는 모든 차에 공통되는 과제로서, 그 중에서 가장 시급한 것이 기존 가솔린 엔진의 열효율과 연비의 향상이다. 이를 위해 자동차 업계는 GDI와 같은 직접분사 엔진, 희박연소 엔진, 직접분사 디젤엔진 등을 연구하고 있다. 특히, 현재의 유럽에서는 디젤엔진을 탑재한 소형차가 현실성 있는 에너지 절약차로서 인기를 끌고 있다.
디젤엔진은 가솔린엔진에 비해 최적 조건 아래에서 연비가 약 30% 정도 높고 이산화탄소 배출 감소에도 가솔린엔진에 비하여 높은 효과를 가진다. GDI처럼 공기를 고압축하여 고온의 연료실에 직접 연료를 분사해서 태우는 방식은 열효율이 높아 값싼 중유나 경유에도 적용할 수 있는 방식이다. 이는 흔히 말하는 희박연소가 가능해지기 때문에 에너지도 절약할 수 있다.
그러나, 디젤엔진은 연기를 내뿜을 때 질소산화물이나 입자 상태 물질(PM)을 많이 배출하기 때문에 선호도가 낮은 문제점이 있다. 특히, 이러한 디젤엔진의 특징은 점점 강화되어가고 있는 배기가스 규제를 만족하는 데에 많은 어려움을 낳고 있는 실정이다.
이러한 디젤엔진의 문제를 해결하기 위해서 최근에는 배기가스 저감장치 또는 배기가스 후처리장치(Catalyzed Particulate Filter : CPF)를 적용하고 있다. 현재 CPF는 하나의 캔에 촉매 역할을 하는 디젤산화촉매(Disel Oxidation Catalyst:DOC)와 입자상 물질(PM)을 걸러주기 위한 매연여과장치(Diesel Particulate Filter Trap : DPF)가 함께 들어있는 방식이다.
매연여과장치에 여과되어 쌓이는 입자상 물질은 배기온 450~500에서 연소되 며, 이로써 매연여과장치가 재생된다. 그러나 많은 운전자들은 낮은 RPM(Revolution Per Minute)영역을 주로 이용하여 운전하는 경향이 있으며, 이에 따라, 매연여과장치 재생가능 온도의 배기온에 도달하기 힘들다.
이에 다라, 현재 매연여과장치 재생을 위하여 이용되는 스로틀 밸브는 CPF 전단과 후단에 위치하고 있는 압력센서를 통해 배압차를 구하여 현재 DPF에 쌓여있는 수트의 양을 추정하고, 추정결과 수트가 너무 많을 때에는 스로틀 밸브를 약간 닫아 흡입되는 공기량을 줄여주어 배기온을 높이게 된다. 이렇게 높아진 배기온은 DPF에 걸려져 남아있던 수트를 태워버려 DPF의 재생이 완료된다. 이런 시스템은 낮은 RPM영역을 사용하는 운전자들을 위한 것이다. 그러나, 이러한 종래의 방법은 배기온을 높이는 데는 효과적이나, 흡기 다기관에 스로틀 바디를 설치 하여야 하며, 스로틀 바디를 움직여 주기 위한 엑츄에이터 등의 부가적인 부품이 많이 사용되어야 한다. 이로 인해 원가의 상승이 일어나게 되며, 레이아웃 구성에 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 CPF 재생을 터보챠저를 사용하여 구현함으로서 추가 원가상승의 발생을 방지하고 레이아웃 설정도 간편하게 할 수 있는 터보챠저를 이용한 CPF 재생 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 장치 재생 방법은 배기가스 후처리 장치의 전후단 압력을 센싱하는 단계; 상기 센싱 결과, 배기가스 후처리 장치의 재생이 필요한지 여부를 확인하는 단계; 배기가스 후처리 장치 재생이 필요한 경우, 터보챠저의 베인을 개방하는 단계; 상기 베인 개방 후 배기가스 후처리 장치 전후단 압력을 센싱하는 단계; 상기 배기가스 후처리 장치 재생 완료여부를 확인하는 단계; 상기 배기가스 후처리 장치 재생이 완료된 경우, 일반 부스트 맵으로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 방법은 상기 터보챠저의 베인 개방 후, 클러스터 표시등을 점등하여 알람하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 터보챠저의 개방은 상기 배기가스 후처리 장치 재생에 필요한 배기온이 형성되는 시기까지 유지되는 것을 특징으로 한다.
상기 방법은 상기 터보챠저의 베인 개방에 따른 제어 맵을 생성하여 상기 터보챠저의 베인 개방을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적 및 기타의 목적과 본 발명의 특징 및 이점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 갖기로 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있 다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 CPF(Catalyzed Particulate Filter) 재생시스템은 종래에서 적용되는 스로틀 바디의 흡입공기의 유입량을 저감을 통한 배기온 상승을 배기가스의 흐름을 이용하여 엔진으로 흡입되는 공기량을 조절하는 VGT(Variable Geometry Turbocharger)를 이용함으로써, 달성할 수 있다.
VGT는 도 1에 도시된 바와 같이 가변 터빈 인렛 베인, 터빈 하우징, 콤프레셔 하우징, 유니슨 링 및 베인 컨트롤 엑츄에이터를 포함한다.
디젤엔진에서 사용되고있는 VGT시스템은 베인을 열고 닫음으로서 배기가스의 속도를 조절하여 부스트량을 조절한다.
휴지(IDLE)시에 VGT의 베인은 닫힌상태를 유지하여 가속시 터보렉을 최소화함으로써, 빠른 응답성을 갖게 한다. 즉 VGT 베인은 가속시 보다 빨리 많은 공기를 엔진에 공급한다. 이러한 VGT 특성을 이용하여 VGT가 공기의 흐름을 조절함으로써, 배기온을 상승시킬 수 있다. 즉, CPF 중 매연여과장치(Diesel Particulate Filter Trap : DPF)의 재생이 필요한 시점이 오면 IDLE때 부터 VGT의 베인을 열어 부스트 압을 낮추어 줌으로써 흡입되는 공기의 량을 줄임으로써, 배기온을 상승시킨다. 이를 도 2 및 도 3을 참조하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 VGT의 베인이 닫혔을 때의 공기의 흐름을 나타낸 것이다.
상기 도 2를 참조하면, 베인이 닫혔을 때 배기가스가 터빈 하우징 쪽으로 들어오는 유로가 좁아져 배기가스가 터빈 블레이드에 닿는 속도가 빨라지게된다. 이에 따라 터빈 블레이드의 회전이 빨라지며 마찬가지로 컴프레서 블레이드의 회전속 도가 빨라지게된다. 결과적으로, 베인이 닫혔을 때는 빠른 부스트압 상승 즉 빨리 많은 공기를 공급할 수 있다. 이러한 특성은 차량의 발진 가속등 저속 응답성을 개선 시키기위한 것이다.
도 3은 본 발명의 VGT의 베인이 열렸을 때의 공기의 흐름을 나타낸 것이다.
상기 도 3을 참조하면, 베인이 열렸을 때 배기가스가 터빈 하우징 쪽으로 들어오는 유로가 넓어져 배기가스가 터빈 블레이드에 닿는 속도가 느려지게 된다. 하지만 이는 상대적인 것으로서 주로 고 RPM(Revoluiton Per Minute)영역에서 베인이 열리기 때문에 터빈 블레이드의 회전속도 자체는 닫혔을 때와 비슷하다. 이때, 낮은 RPM시에 베인을 열어주게 되면 상기 베인을 닫았을 때 보다 터빈 블레이드의 회전속도가 현저하게 낮아지게 된다. 이에 따라 저속 응답성은 낮아지게 되나, 공급되는 공기의 량이 줄어들게 되어 배기온은 높아지게 된다.
한편, 본 발명의 CPF 재생 시스템이 작동 중 일때에는 차량의 저속 응답속도가 평소와 다른 상태를 나타낼 수 있으므으로, 클러스터에 "CPF 재생중"을 나타내는 표시등을 점등함으로써 운전자에게 알람하는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 CPF 재생 방법을 나타낸 순서도이다.
설명에 앞서, 이하 본 발명의 실시 예에 따른 CPF 재생 방법에 있어서, 터보챠저의 제어 및 CPF 재생을 제어, 터보챠저의 제어맵 구성 등은 엔진컨트롤 유닛에서 담당할 수 있다.
상기 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 CPF 재생 방법은 먼저 CPF 전후단 압력을 센싱한다(S101).
상기 S101 단계에서, 배기가스 후처리 장치(CPF)의 전단과 후단의 압력을 각각 측정한다.
다음으로, CPF 재생이 필요한지 여부를 확인한다(S102).
상기 S102 단계에서, 상기 센싱결과를 기 설정된 CPF 재생 필요 압력과 비교함으로써, 배기가스 후처리 장치의 재생 필요에 대하여 판단하게 된다.
상기 S102 단계에서, CPF 재생이 필요한 경우, 터보챠저의 베인을 개방하고, 이를 클러스터 표시등을 점등한다(S103).
상기 S103 단계에서, CPF 재생이 필요한 경우, 터보챠저의 베인을 개방하며, 이에 따라, 공기 유입이 줄어들게 됨에 따라, 배기 온도가 상승하게 된다. 터보챠저의 베인 개방은 상기 배기 온도가 상기 CPF 재생에 필요한 온도까지 상승할때까지 개방한다. 한편, 상기 터보챠저의 베인 개방에 따른 저속응답성의 특성이 변화될 수 있으며, 이를 사용자에게 알람하기 위하여 클러스터 표시등에 "CPF 재생 중"을 알리는 알람을 실시한다.
다음으로, CPF 전후단 압력을 센싱한다(S104).
상기 S104 단계에서, CPF 재생이 진행된 후, 일정 시간이 지나면 CPF 재생 진행정도를 확인하기 위하여 CPF 전단 및 후단의 압력을 센싱하고, 센싱한 결과를 확인한다.
다음으로, CPF 재생이 완료되었는지 여부를 확인한다(S105).
상기 S105 단계에서는 상기 CPF 전후단 압력 센싱 결과를 토대로 하여 상기 CPF 재생의 완료 여부를 확인한다. 상기 CPF 재생의 완료 여부는 기 설정된 일반 CPF 전후단 압력 센싱결과와 상기 CPF 재생 후 압력 센싱결과를 비교함으로써, 판단할 수 있다.
다음으로, 상기 S105 단계에서, CPF 재생이 완료된 경우, 일반 부스트 맵으로 복귀한다(S106).
한편, 터보챠저의 제어를 보다 정밀하게 하기 위하여 터보제어 맵을 생성하고, 생성된 터보제어 맵에 따라 상기 S103 단계에서의 베인 개방을 제어할 수 있다(S107).
상기 S107 단계에서, 상기 CPF 재생과 터보챠저의 베인 개방을 기반으로 하는 학습과정을 통하여 맵을 구성할 수 있으며, 이러한 맵을 토대로 하여 상기 CPF 재생을 위한 터보챠저의 베인 개방 시기 및 개방 시간의 최적점을 추적할 수 있다. 즉, 상기 CPF 전후단 압력센싱의 결과값과, 각각의 압력센싱의 결과값에 따른 터보챠저의 베인 개방 시기 및 시간을 데이터화 한 후, 각각의 압력센싱 결과 값에 따른 CPF 재생 완료 시간을 서로 매칭시켜 상기 터보챠저의 제어 맵을 구성할 수 있다. 이러한 터보챠저의 제어 맵을 상기 S103 단계에 적용함으로써, 보다 정밀한 터보챠저 제어를 수행할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 터보챠저를 이용한 CPF 재생 방법은, CPF재생을 위한 별도의 스로틀 바디, ACTUATOR등 부품이 삭제가능하게되어 원가가 절감되며, ECU 맵핑만으로 구현이 가능하기 때문에 적용 가능성이 높다.
아울러 본 발명의 바람직한 실시예들은 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이며, 이러한 수정 변경 등은 이하의 특허청구의 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 배기가스 후처리 장치의 전후단 압력을 센싱하는 단계;
    상기 센싱 결과, 배기가스 후처리 장치의 재생이 필요한지 여부를 확인하는 단계;
    배기가스 후처리 장치 재생이 필요한 경우, 터보챠저의 베인을 개방하여 배기 온도를 상승시키는 단계;
    상기 베인 개방 후 배기가스 후처리 장치 전후단 압력을 센싱하는 단계;
    상기 배기가스 후처리 장치 재생 완료여부를 확인하는 단계; 및
    상기 배기가스 후처리 장치 재생이 완료된 경우, 일반 부스트 맵으로 복귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 터보챠저를 이용한 배기가스 후처리 장치 재생 방법.
  2. 제 1 항에 있어서
    상기 터보챠저의 베인 개방 후, 클러스터 표시등을 점등하여 알람하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보챠저를 이용한 배기가스 후처리 장치 재생 방법.
  3. 제 1 항에 있어서
    상기 터보챠저의 개방은
    상기 배기가스 후처리 장치 재생에 필요한 배기온이 형성되는 시기까지 유지되는 것을 특징으로 하는 터보챠저를 이용한 배기가스 후처리 장치 재생 방법.
  4. 제 1 항에 있어서
    상기 터보챠저의 베인 개방에 따른 제어 맵을 생성하여 상기 터보챠저의 베인 개방을 제어하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 터보챠저를 이용한 배기가스 후처리 장치 재생 방법.
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