KR101240937B1 - 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법 및 장치 - Google Patents

디젤 입자상물질 필터의 재생 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 입자상물질의 재생 방법 및 장치에 관한 것으로서, 특히 디젤 입자상물질 필터의 재생시점 제어가 보다 효율적으로 이루어지는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 본 발명의 목적은 차량엔진을 제어하는 ECU에 해당 센서들로부터 차량의 운전상황에 대한 엔진rpm, 연료량, EGR 신호, 배기온도, 필터 전후의 압력차에 대한 정보가 전송되어 모니터링하는 제1단계, 제1단계에서 전송된 정보에 따라 엔진상태를 고속고부하 조건과 저속저부하 조건으로 구분하여 가중치가 설정되는 제2단계, 제2단계에서 설정된 가중치를 적용하여 변환된 비교값이 측정된 압력차 이하인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 비교값이 측정된 압력차 이상인 경우 디젤 입자성물질 필터의 재생이 이루어지는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법 및 장치의 제공으로 달성된다.
DPF, 압력차, ECU, EGR, 배기온도

Description

디젤 입자상물질 필터의 재생 방법 및 장치{Regeneration method and apparatus of diesel particulate filter}
도 1은 디젤 입자상물질 필터(DPF)의 작용 원리를 설명하기 위한 개략도,
도 2는 종래의 DPF 재생방법에 따른 시스템 구성도,
도 3은 저속저부하 조건에서의 입자상 물질의 퇴적형태 개시도,
도 4는 고속고부하 조건에서의 입자상 물질의 퇴적형태 개시도,
도 5는 본발명의 DPF 재생방법에 따른 시스템 구성도,
도 6은 본발명의 DPF 재생방법에 따른 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
410 : 입자상 물질 500 : ECU
510 : 디젤 입자상물질 필터 540 : 엔진rpm 센서부
550 : 연료량 센서부 560 : EGR
570 : 배기온도 센서부 580 : 엔진
본 발명은 디젤 입자상물질의 재생 방법 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 디젤 입자상물질 필터를 재생시키기 위한 제어를 보다 효율적으로 개선시킨 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법 및 장치에 관한 것이다.
통상, 배기가스는 엔진으로부터 연소된 혼합기가 배기관을 통하여 대기중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다.
이러한 배기가스의 규제는 필연적으로 강화되고 있기 때문에 배기가스 재순환 장치(EGR), 3원촉매, MPI장치 등을 포함하는 배기가스 제어장치와, 캐니스터, 퍼지 컨트롤 솔레노이드 밸브 등을 포함하는 증발가스 제어장치등이 차량에 적용되고 있다.
한편, 디젤엔진 차량은 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 엔진과는 달리 배기가스내에 질소산화물과 입자상물질(PM:Particulate Matter)이 상당히 많이 함유되어 있다.
디젤차량에 있어서는 공기가 대부분의 운전상태에서 충분한 조건으로 연소되기 때문에 CO와 HC는 가솔린 차량에 비하여 배출 정도가 낮으나, NOx와 입자상물질의 배출 정도는 매우 높다.
최근, 상기 입자상물질은 대기를 오염시키는 가장 주된 원인으로 규명되고 있고, 인체에도 많은 해를 입히는 것으로 판명되고 있다.
이에, 디젤차량의 배출가스 저감기술은 NOx와 매연을 포함한 입자상물질의 저감이 중점적으로 이루어지고 있으며, 특히 디젤차량의 배출기준 강화에 대응하여 후처리기술로 매연등 입자상물질과 CO, HC등을 줄이기 위한 매연여과장치(DPF)가 이미 실용화 된 바 있으며, 그 밖에 디젤산화촉매장치(DOC)가 개발되었고, NOx만을 선택적으로 줄이기 위한 De-NOx 촉매 및 SCR등이 개발되어 왔다.
최근 부각되고 있는 입자상물질(PM)을 저감시키는 방법으로 디젤 입자상물질 필터(DPF:Diesel Particulate Filter) 기술을 채택되고 있는 바, 이 디젤 입자상물질 필터는 배기라인에 설치되어, 엔진으로부터 배출된 불연소의 디젤 입자상물질을 트랩(trap)을 이용하여 포집하고, 입자상물질의 발화온도 이상으로 승온시켜 입자상물질을 태우고(재생)하는 기능을 반복 수행하게 된다.
첨부한 도 1은 디젤 입자상물질 필터의 작용 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 이에 도시한 바와 같이, 디젤 입자상물질 필터는 전후로 배기가스 입출구가 형성된 하우징 내부에 탄화규소 재질로 만들어진 벌집형 채널구조물형태로 되어 있으며, 이 필터에는 입자상물질의 연소온도를 낮추어 주는 촉매가 코팅되어 있다.
상기 필터는 배기가스가 들어가는 입구셀과 나오는 출구셀을 달리하는 구조로 되어 있으며, 배기가스가 필터의 다공성 채널구조물을 통과하는 과정에서 기공에 분진 등이 걸러지는 과정을 거치도록 되어 있다.
따라서, 제품 초기에는 배기가스 내의 분진 등을 필터에서 무리 없이 걸러주게 되나 차량이 일정 거리를 주행한 후 채널구조물에 분진 등이 누적됨으로 해서, 배기가스의 흐름을 방해하게 되고, 배압이 상승하게 된다.
이에, 디젤 입자상물질 필터에서는 상기와 같이 배기가스의 흐름이 방해되기 전에 분진을 소거해주는 재생 과정을 필요로 하고 있으며, 이러한 디젤 입자상물질 필터의 재생 과정에서는 엔진 ECU가 필터의 재생시점을 판단하여 재생이 필요한 시점에서 연료를 리치(rich)하게 분사시키거나 연료후분사를 실시하는 등 강제 재생 모드를 수행하게 된다.
이때, 종래에는 엔진 ECU(200)가 도 2에서 도시한 바와 같이 필터(210)의 상류측 배기관(220)과 하류측 배기관(230)에 설치된 두 압력센서(240, 250)로부터 입력되는 신호를 실시간 모니터링하여, 상기 필터(210)의 입구측 압력(P1)과 출구측 압력(P2)간 차이(Pdif. = P1 - P2)를 구한 후 이 압력차가 일정 수준 이상으로 올라가는 경우, 필터의 재생이 요구되는 시점으로 판단하도록 되어 있다.
그러나, 상기와 같이 필터 전후의 압력차만으로 필터내에 있는 입자상물질의 퇴적량을 추정하는 방식은 다음과 같은 문제점이 있다.
즉, 엔진에서 생성된 입자상물질이 필터내에 퇴적될때, 배출가스의 속도에 따라 그 퇴적형태가 달라지게 되고, 이로인해 측정되는 압력차도 퇴적위치와 퇴적형태에 따라 달라지게 된다.
구체적으로, 도 3에서 도시한 바와 같이 저속저부하 운전조건에서는 입자상물질이 필터(400) 입구에 주로 퇴적하게 되고, 퇴적된 입자상 물질(410)의 밀도는 후술할 고속고부하 운전조건에 비해 상대적으로 낮다.
따라서, 필터 전후의 센서에 의해 측정되는 압력차는 실제 퇴적된 입자상물질의 밀도에 비해 과대평가됨으로써, 재생이 요구되는 시점에 도달하지 않았음에도 불구하고 재생이 빈번히 일어나게 되어 연비가 악화되는 문제점이 발생한다.
또한, 도 4에서 도시한 바와 같이 고속고부하 운전조건에서는 입자상물질이 필터(400) 후단에 주로 퇴적하게 되고, 퇴적된 입자상물질(410)의 밀도는 상기의 저속저부하 운전조건에 비해 상대적으로 높다.
따라서, 센서에 의해 측정되는 압력차는 저속저부하 조건과는 반대로 실제 퇴적된 입자상물질의 농도에 비해 과소평가됨으로써, 재생시점에 도달하였음에도 불구하고 재생이 일어나지 않아 필터의 여과기능의 효율성이 저하되는 문제점이 발생한다.
따라서, 본 발명은 상술된 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 차량엔진을 제어하는 ECU에 해당 센서들로부터 차량의 운전상황에 대한 엔진rpm, 연료량, 배기가스 재순환 장치(EGR) 신호, 배기온도, 필터 전후의 압력차에 대한 정보가 전송되어 실시간으로 모니터링되는 제1단계, 제1단계에서 전송된 정보에 따라 엔진상태를 고속고부하 조건과 저속저부하 조건으로 구분하여 가중치가 설정되는 제2단계, 제2단계에서 설정된 가중치를 적용하여 변환된 비교값이 측정된 압력차 이하인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 비교값이 측정된 압력차를 이상하는 경우 디젤 입자성물질 필터의 재생이 이루어지는 제3단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 디젤 입자상물질 필터에 퇴적된 입자성물질의 제거를 위한 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법으로서,
차량엔진을 제어하는 ECU에 해당 센서들로부터 차량의 운전상황에 대한 엔진rpm, 연료량, 배기가스 재순환 장치(EGR) 신호, 배기온도, 필터 전후의 압력차에 대한 정보가 전송되어 실시간으로 모니터링하는 제1단계;
상기 제1단계에서 전송된 정보에 따라 엔진상태를 고속고부하 조건과 저속저부하 조건으로 구분하여 가중치를 설정하는 제2단계;
상기 제2단계에서 설정된 가중치를 적용하여 변환된 압력차를 누적 합산하는 제3단계;
상기 제3단계의 누적 합산값이 측정된 압력차 이하인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 누적 합산값이 측정된 압력차 이상인 경우 디젤 입자성물질 필터의 재생이 이루어지는 제4단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 제2단계에서 저속저부하 조건의 가중치는 1미만으로 설정되고, 고속고부하 조건의 가중치는 1이상로 설정되는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 제2단계는 엔진을 고속 조건과 저속 조건으로 구분하기위해 상기 모니터링 엔진rpm이 기설정치 이하인지 여부를 판단하는 속도 판단단계(S20);
상기 모니터링 엔진rpm이 기설정치 이하인 경우, 상기 모니터링 연료량이 기 설정치 이하인지 여부를 판단하고, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이상인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이하인 경우 저속저부하조건으로 가중치가 설정되는 저속부하 판단단계(S30);
상기 모니터링 엔진rpm이 기설정치 이상인 경우, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이상인지 여부를 판단하고, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이하인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 모니터링 연료량이 기설정치를 이상인 경우 고속고부하조건으로 가중치가 설정되는 고속부하 판단단계(S60)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 저속부하 판단단계는 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이하인 경우 상기 모니터링 EGR 신호가 작동중인지 여부를 판단하여, 상기 EGR 신호가 OFF인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 EGR 신호가 ON인 경우 저속저부하 조건으로 가중치가 설정되는 EGR신호 판단단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 상기 고속부하 판단 단계는 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이상인 경우 상기 모니터링 배기온도가 기설정치 이하인지 여부를 판단하고, 상기 모니터링 배기온도가 기설정치 이상인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 모니터링 배기온도가 기설정치 이하인 경우 고속고부하 조건으로 가중치가 설정되는 배기온도 판단단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직한 다른 구현예로서, 디젤 입자상물질 필터에 퇴적된 입자성물질의 제거를 위한 디젤 입자상물질 필터의 재생 장치로서,
필터 전후의 압력차를 측정하도록 필터의 상류측 배기관과 하류측 배기관에 설치된 두 압력센서와;
고속조건과 저속조건의 구분 기준이 되는 엔진 rpm을 측정하도록 엔진에 설치된 rpm 센서부와;
고부하조건과 저부하조건의 구분 기준이 되는 연료량을 측정하도록 엔진의 분사 펌프에 설치된 연료 센서부와;
EGR의 작동여부를 판단하기위해 엔진에 설치된 EGR 센서부와;
배기온도를 측정하도록 필터에 설치된 온도센서부와;
상기 센서부로부터 전달받은 측정 신호에 의해 디젤 입자상물질 필터의 적절한 재생시점이 판단되는 ECU로 구성된 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 본 발명은 DPF에 적절한 재생시점을 제어함으로써 차량의 연비 악화를 감소시키고, DPF 내부에 입자상물질이 과다하게 퇴적됨으로써 발생할 수 있는 DPF의 고장 발생 가능성을 낮춰 내구 신뢰성을 안정적으로 확보할 수 있다.
이하 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
첨부한 도 5는 본 발명의 재생방법에 따른 시스템 구성도이다.
도 5에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 DPF 재생장치는 차량엔진을 제어하는 ECU(500)가 해당 센서들로부터 차량의 운전상황에 대한 엔진rpm, 연료량, EGR 신호, 배기온도, 필터 전후의 압력차에 대한 정보를 전송받기 위해 ECU와 상기 정보 를 감지하는 센서들로 이루어진다.
상기 압력차는 필터(510)의 상류측 배기관과 하류측 배기관에 설치된 두 압력센서(520, 530)로부터 ECU(500)에 입력되는 신호에 의해 모니터링된다.
상기 엔진rpm은 고속조건과 저속조건을 구분하기 위해 엔진에 설치된 rpm 센서부(540)로부터 ECU(500)에 입력되는 신호에 의해 모니터링된다.
상기 연료량은 고부하조건과 저부하조건을 구분하기 위해 엔진의 분사 펌프에 설치된 연료 센서부(550)로부터 ECU(500)에 입력되는 신호에 의해 모니터링된다.
상기 EGR 신호는 장치의 작동여부를 판단하기위해 EGR에 설치된 EGR 센서부(560)로부터 ECU(500)에 입력되는 ON/OFF 신호에 의해 모니터링된다.
상기 배기온도는 필터(510)에 설치된 온도센서부(570)로부터 ECU(500)에 입력되는 신호에 의해 모니터링된다.
상기 ECU(500)는 상기 센서부로부터 전달받은 신호를 바탕으로 후술할 DPF 재생방법에 의해 DPF의 적절한 재생시점을 판단한다.
첨부한 도 6은 본 발명의 재생방법에 따른 흐름도이다.
이하, 도 6을 참조하여 본 발명을 실행하는 방법에 대해 상세히 설명한다.
먼저, 엔진이 어떤 조건에서 운전되고 있는지를 판단하기 위해 ECU가 해당 센서들로부터 엔진 시동중의 엔진rpm, 연료량, EGR 신호, 배기온도, 필터 전후의 압력차에 대한 정보를 전송받아 모니터링한다.(S10)
다음으로, 엔진조건를 고속 조건과 저속 조건으로 구분하기위해 상기 모니터 링 엔진rpm이 기설정치 이하인지 여부를 판단하고(S20), 상기 기설정치는 엔진별 과급특성에 따라 달라질 수 있으나, 본 발명에서는 2000 rpm으로 설정한다.
다음으로, 엔진조건을 고부하 조건과 저부하 조건으로 구분하기 위해 모니터링 연료량이 기설정치 이하인지 여부를 판단한다.(S30, S60)
여기서, 상기 조건을 나누는 것은 앞서 설명한 바와 같이, DPF에 퇴적되는 PM의 퇴적형태와 그 양이 고속고부하와 저속저부하 조건에서 다르기 때문이다.
다음으로, 상기 모니터링 엔진rpm이 기설정치 이하이고, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이상인 경우 상기 S10단계로 회귀하며, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이하인 경우 EGR이 작동중인지 여부를 판단한다.(S40)
다음으로, 상기 모니터링 엔진rpm이 기설정치 이상이고, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이하인 경우 상기 S10단계로 회귀하며, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이상인 경우 배기온도가 기설정치 이하인지 판단한다.(S70)
다음으로, 상기 EGR 신호가 OFF인 경우 상기 S10단계로 회귀하며, 상기 EGR 신호가 ON인 경우 저속저부하 조건으로 가중치를 설정한다.(S40, S50)
이는, EGR OFF상태의 DPF에 퇴적되는 PM양이 EGR ON상태의 그 양에 비해 훨씬 적기 때문에, EGR OFF상태에서 저속저부하 조건으로 가중치를 설정하는것은 가중치가 적용된 비교값이 실제 압력차보다 과대평가 될 수 있으므로, 상기 S10단계로 회귀한다.
다음으로, 상기 모니터링 배기온도가 기설정치 이상인 경우 상기 S10단계로 회귀하며, 상기 모니터링 배기온도가 기설정치 이하인 경우 고속고부하 조건으로 가중치를 설정하고,(S70, S80) 상기 배기온도의 기설정치는 섭씨 600도이다.
이는, 배기온도가 기설정치를 이상이면 엔진이 고속고부하 상태에 있더라도 재생효과가 발생하여 PM의 퇴적이 발생하지 않기 때문에, 고속고부하 조건으로 가중치를 설정하는것은 가중치가 적용된 비교값이 실제 압력차보다 과소평가 될 수 있으므로, 상기 S10단계로 회귀한다.
여기서, 모니터링된 압력차의 가중치를 1로 보았을때, 저속저부하 조건에서는 실제 측정되는 압력차에 비해 실제 퇴적되는 양이 적기 때문에 가중치는 1미만으로 설정되고, 고속고부하 조건에서는 실제 측정되는 압력차에 비해 실제 퇴적되는 양이 많기 때문에 가중치는 1이상로 설정되며, 엔진조건에 따라 그 가중치는 변화한다.
다음으로, 각 조건에 의해 설정된 가중치를 적용하여 변환된 압력차를 누적 합산한다.(S90)
다음으로, 누적 합산값이 측정된 압력차 이하인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 누적 합산값이 측정된 압력차 이상인 경우 디젤 입자성물질 필터의 재생이 이루어진다.(S100)
여기서, 누적 합산값은 실시간으로 상기 ECU에 의해 모니터링된 압력차에 가중치를 적용한 수치를 합산한 값이며, 누적기간은 재생이 발생하지 않은 전체 운전기간이다.
이상에서 본 바와 같이 본 발명에 따른 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법는 다음과 같은 효과를 제공한다.
첫째, 엔진조건에 따른 가중치를 다르게 설정함으로써 디젤 입자상물질 필터의 재생시점이 정확히 판단되고,
둘째, 엔진의 저속 저부하 조건에서 필요없이 발생되는 재생을 방지하여 차량의 연비 악화가 감소되고,
세째, DPF 내부에 입자상물질이 과다하게 퇴적됨으로써 발생되는 DPF의 고장 발생 가능성을 낮춰 내구 신뢰성이 안정적으로 확보되는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 디젤 입자상물질 필터에 퇴적된 입자성물질의 제거를 위한 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법으로서,
    차량엔진을 제어하는 ECU에 해당 센서들로부터 차량의 운전상황에 대한 엔진rpm, 연료량, 배기가스 재순환 장치(EGR) 신호, 배기온도, 필터 전후의 압력차에 대한 정보가 전송되어 실시간으로 모니터링하는 제1단계(S10);
    상기 제1단계에서 전송된 정보에 따라 엔진상태를 고속고부하 조건과 저속저부하 조건으로 구분하여 가중치를 설정하는 제2단계(S50, S80);
    상기 제2단계에서 설정된 가중치를 적용하여 변환된 압력차를 누적 합산하는 제3단계(S90);
    상기 제3단계의 누적 합산값이 측정된 압력차 이상인 경우 디젤 입자성물질 필터의 재생이 이루어지는 제4단계(S100)
    를 포함하고,
    상기 제2단계는 엔진을 고속 조건과 저속 조건으로 구분하기위해 상기 모니터링 엔진rpm이 기설정치 이하인지 여부를 판단하는 속도 판단단계(S20);
    상기 모니터링 엔진rpm이 기설정치 이하인 경우, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이하인지 여부를 판단하고, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이상인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이하인 경우 상기 모니터링 EGR 신호가 작동중인지 여부를 판단하고, 상기 EGR 신호가 OFF인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 EGR 신호가 ON인 경우 저속저부하 조건으로 가중치가 설정되는 EGR신호 판단단계(S40)를 포함하는 저속부하 판단단계(S30);
    상기 모니터링 엔진rpm이 기설정치 이상인 경우, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이상인지 여부를 판단하고, 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이하인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 모니터링 연료량이 기설정치를 이상인 경우 고속고부하조건으로 가중치가 설정되는 고속부하 판단단계(S60)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 제2단계는 저속저부하 조건의 가중치는 1미만이고, 고속고부하 조건의 가중치는 1이상이며, 상기 가중치는 엔진조건에 따라 변화하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 제4단계(S100)는 상기 제3단계(S90)의 누적 합산값이 측정된 압력차 이하인 경우 상기 제1단계(S10)로 회귀하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 고속부하 판단 단계는 상기 모니터링 연료량이 기설정치 이상인 경우 상기 모니터링 배기온도가 기설정치 이하인지 여부를 판단하여, 상기 모니터링 배기온도가 기설정치 이상인 경우 상기 제1단계로 회귀하며, 상기 모니터링 배기온도가 기설정치 이하인 경우 고속고부하 조건으로 가중치가 설정되는 배기온도 판단단계(S70)를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.
  7. 삭제
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