KR101305777B1

KR101305777B1 - Ｄｐｆ 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적인식 방법

Info

Publication number: KR101305777B1
Application number: KR1020070073892A
Authority: KR
Inventors: 노영준
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-07-24
Filing date: 2007-07-24
Publication date: 2013-09-06
Also published as: KR20090010628A

Abstract

본 발명은 담체의 입구부와 출구부의 막힘 부위가 반전되는 구조를 이용한 DPF(Diesel Particulate Filter)에 대해, 차량 운행에 따른 마일리지(Mileage)증가를 감안한 애쉬(Ash) 퇴적에 의한 DPF 내 유효 체적(Y%) 감소를 정확하게 인식하므로 써, DPF 내 담체의 수트(Soot) 퇴적량 인식율을 향상하면서, 이를 이용한 DPF 재생(산화 반응) 개시 시점을 판단하는 특징이 있게 된다.

DPF, 재생, 애쉬, 유효체적, 수트

Description

ＤＰＦ 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법{Availability volume recognized method using learning function of Diesel Particulate Filter accumulated ash}

본 발명은 DPF(Diesel Particulate Filter) 장치에 관한 것으로, 특히 DPF 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진 작동에 따른 오염 물질을 처리하는 DPF(Diesel Particulate Filter, 이하 DPF라 함))는, 그 내부를 구성하는 담체의 입구부와 출구부의 막힘 부위가 반전되는 구조를 이용한 매연 정화 장치로서, 엔진 배기 가스내 오염 물질이 담체 내부의 다공 홀을 통과함에 따라 시간 경과 후, 담체 내에 포집된 검댕이 그을림인 수트(Soot) 포집 량이 일정 수준 이상이 되면, 온도를 발화 온도 이상으로 상승시켜 수트 성분을 제거하게 된다.

그러나, 엔진 배기 가스내 오염 물질은 수트와 같이 일정 온도 이상에서 타버리지 않는 오염 물질이 생성되는데, 이러한 오염 물질은 차량의 윤활유와, 엔진 실린더 라이너(liner)의 금속 성분으로부터 발생하는 금속 산화물 성분인 애쉬(Ash)로서, 이와 같은 애쉬(ASh)는 금속 산화물이기에 산소와 질소(NO2)에 의한 산화반응(이하 재생이라고 함)에 의해 제거될 수 없는 물질이다.

이와 같이 금속 산화물인 애쉬(ASh)가 퇴적되면 DPF 담체내 수트(Soot) 퇴적을 위한 유효 체적이 감소되는데, 이러한 DPF 담체의 유효 체적의 감소로 인해 배기 가스에 의해 압력 차이 증가를 가져오면, DPF 담체내 수트 퇴적 예측량 증가로 인한 재생 주기 감소를 가져오고, 이로 인해 연비 악화나 오일 열화 현상이 발생하거나 심할 경우에는 재생 종료를 인식하지 못하여 작동 시 에러를 발생시키게 된다.

즉 이러한 수트(Soot) 인식 량 오차 발생 시 나타나는 심각한 현상으로는, 일례로 실제 보다 애쉬(Ash)에 의한 유효 체적을 크게 인식하는 경우에는, 실제 재생이 개시되는 수트 인식량에 도달하는 시간이 짧게 되어 재생이 빈번하게 일어나므로, 연비 악화와 더불어 재생을 위한 후 분사로 인한 오일의 희석이 발생하게 된다.

또한, 이와 반대로 실제보다 애쉬(Ash)에 의한 유효 체적을 작게 인식하는 경우에는, 재생 주기는 길어지지만 DPF 내의 수트 함유량이 목표치보다 많은 상태에서 재생하게 되고, 이는 재생 시 DPF 내부 온도가 한계 치 초과를 유발해 내부 담체의 크랙(Crack)발생이나 또는, 심할 경우에 내부 열을 견디지 못한 폭발도 발생할 수 있게 된다.

이에 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 것으로, DPF(Diesel Particulate Filter)의 재생 종료 후, 담체내 애쉬(Ash) 퇴적에 따른 차압 상승분을 차압 센서를 통하여 학습하고, 이러한 학습을 통한 DPF의 정확한 유효 체적 인식에 의하여 담체 내 수트(Soot) 퇴적량 예측성을 향상시키고 또한, 정확한 재생 개시 시점을 판단함으로써 차량 산포 개선과 연비 및 오일 열화 개선과 더불어, 재생 종료 인식 불능에 의한 에러 발생과 담체 내 과도한 수트(Soot) 퇴적에 의한 DPF의 파손 등을 해결할 수 있도록 함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, DPF 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법이 제어 초기 시, DPF(Diesel Particulate Filter)의 입구부와 출구부의 막힘 부위가 반전되는 구조를 갖는 담체내 퇴적된 수트(Soot) 제거를 위한 재생(산화 반응)절차를 수행하는 DPF 초기 재생단계;

차량 운행으로 인한 마일리지(Mileage)에 따른 담체내 퇴적 수트(Soot)량을 고려한 마일리지(Mileage) 조건판단 단계;

DPF내 퇴적된 수트(Soot)를 제거를 위한 재생 절차를 다시 한번 더 수행한 후, DPF의 애쉬(ASH) 퇴적 학습을 통한 상수 K를 산출하는 애쉬 학습 단계;

DPF 재생 절차 완료 후 측정된 데이터인 애쉬(Ash)에 의한 차압 성분인 △ P_ash를 애쉬(Ash)에 의해서 발생하는 차압 크기(y축)와, 배출가스의 점성계수와 유량의 곱(x축)으로 표현되는 좌표축 안에서 각 점들이 갖는 기울기 값으로 표현하는 k 산출 단계;

상수 k가 결정된 후 구해진 상수 k와 DPF유효 체적(y)간의 상관관계를 상수 k 함수로 나타낸, Y(%, 현 DPF 유효 체적) = (a x k²) + (b x k) +c를 통해 산출하는 현 DPF 유효 체적 산출단계;

DPF 유효 체적이 100%일 때에 산출된 현 DPF 유효 체적(Y%)을 이용하여, 산출된 현 DPF 유효 체적(Y%)에 따른 DPF 내 퇴적된 수트(Soot)량을 산출하는 현 수트(Soot) 산출단계;

로 수행되는 것을 특징으로 한다.

그리고, 현 산출된 DPF 유효 체적(Y%)에 따른 현 수트(Soot)량 m_soot_Y% 이, m_soot_Y% > m_soot_100%x (Y%)를 만족하면, DPF의 재생 개시 시점으로 인식해 DPF 내 퇴적된 수트(Soot)를 제거하지만, m_soot_Y% < m_soot_100%x (Y%)인 조건에서는 DPF의 재생 개시를 수행하지 않게 된다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, DPF 담체내 애쉬(Ash) 퇴적에 따른 차압 상승분을 차압 센서를 통한 학습에 따라 DPF의 정확한 유효 체적을 인식함에 따라, 차량 운행에 따른 마일리지(Mileage)를 고려한 상태에서 DPF 내 수 트(Soot) 퇴적량의 정확한 인식과 더불어, DPF 전단부의 애쉬(Ash)퇴적에 의한 유효 체적을 고려한 정확한 수트(Soot)재생 개시 시점을 판단함으로써, 차량 산포 개선과 연비 및 오일 열화 개선과 더불어, 재생 종료 인식 불능에 의한 에러 발생과 담체 내 과도한 수트(Soot) 퇴적에 의한 DPF의 파손 등을 해소할 수 있는 효과가 있게 된다.

이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 DPF 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법의 흐름도를 도시한 것인바, 본 발명은 담체의 입구부와 출구부의 막힘 부위가 반전되는 구조를 이용한 DPF(Diesel Particulate Filter)에 대해, 차량 운행에 따른 마일리지(Mileage)증가를 감안한 애쉬(Ash) 퇴적에 의한 DPF 내 유효 체적(Y%) 감소를 정확하게 인식하므로 써, DPF 내 담체의 수트(Soot) 퇴적량 인식율을 향상하면서, 이를 이용한 DPF 재생(산화 반응) 개시 시점을 판단하게 된다.

이를 위해 본 발명은 DPF내 퇴적된 수트(Soot)를 제거할 수 있도록 산화 반응을 일으켜 타버릴 수 있는 온도를 가하는 재생 과정을 거쳐, DPF의 유효 체적(Y%) 산출을 위한 초기 작업을 실행하게 된다.

이어, DPF내 퇴적된 수트(Soot)를 제거를 위한 재생 절차가 성공적으로 이루어진 경우, 차량 운행으로 인한 마일리지(Mileage)에 따른 담체내 퇴적 수트(Soot)량을 고려한 마일리지(Mileage)조건 여부를 판단하게 된다.

이후, 보다 정확한 DPF의 유효 체적(Y%) 산출을 위해 다시 한번 DPF내 퇴적된 수트(Soot)를 제거를 위한 재생 절차를 수행한 후, DPF의 애쉬(ASH) 퇴적 학습을 통한 상수 K를 산출하게 된다.

이때, 상기 상수 K는 DPF 내 퇴적되는 애쉬(ASH)에 의한 DPF의 압력 차 지수(Index)이다.

이러한, 상수 K는 DPF를 통과하는 배출 가스의 점성계수와 유량에 비례하는 DPF 차압을 통해 알 수 있는데 즉, 내부를 통과하는 압력 강화에 대한 방정식인 다시 법칙(Darcy's Law)를 통해 산출하게 된다.

이와 같은 다시 법칙(Darcy's Law)은 도 2에 도시된 바와 같이 수학적으로 예시되어 있는데, 즉, 방정식-1 과 같이 DPF 필터(Filter)내를 통과할 때 발생되는 압력 차(△P)는 벽(Wall, a)과 케이크(Cake, b), 유입구 마찰(Inlet Friction, c), 출구 마찰(Outlet Friction, d) 및 확장지수(Contr. expan.,e)등의 함수로 표현되어진다.

여기서, 압력 차(△P)에 관한 방정식-1항목 중 점성 보정 계수(Viscosity Correction Constants) μ는 도 3(나) 표와 같이 결정되어진다.

이러한 다시 법칙(Darcy's Law)을 이용하여 DPF내 애쉬(Ash)에 의한 압력을 방정식-2와 같이 산출 즉, 압력 △P_ash는 배출가스의 점성계수와 배출가스 유량에 대해 일정 상수 값으로 비례하는 특성을 이용하여 산출될 수 있게 된다.

이와 같이 DPF내 애쉬(Ash)에 의한 압력 △P_ash을 구할 수 있으므로 이를 적용하게되면, DPF 필터(Filter)의 전체적인 압력차 △P_total을 구할 수 있게 된 다.

즉, 방정식-3과 같이 △P_total = △P_clean filter + △P_ash로서 DPF 필터(Filter)의 전체적인 압력차 △P_total을 구하게 된다.

여기서, 상기 △P_clean filter는 통과하는 유량과 온도 조건등을 알 때, 실험적으로 산출할 수 있는 값이다.
그리고, 상기 필터차압(Δp_total)은 필터의 재생이 충분히 수행되어 soot가 잔존하지 않는 조건에서 안정된 배압 데이터를 모아서 분석할 수 있으므로, 이를 도 2의 식 (3)에 대입하면 Δp_ash이 산출된다.
또한, 상기 Δp_ash를 도 2의 식 (2)에 적용하면, 배출가스 유량은 엔진 RPM과 연료분사량을 알면 이상기체 상태 방정식을 통해 계산될 수 있으므로, 상기 K가 산출될 수 있다.

이러한 방정식-1,2,3을 이용해 구하는 상수 k는 DPF 재생 후 측정된 데이터를 표시한 도 3(가)에 도시된 바와 같이, 애쉬(Ash)에 의한 차압 성분인 △P_ash는 애쉬(Ash)에 의해서 발생하는 차압 크기(y축)와, 배출가스의 점성계수와 유량의 곱(x축)으로 표현되는 좌표축 안에서 각 점들이 갖는 기울기 값으로 표현되어진다.

이때, 상기 k값을 구하기 위한 애쉬(Ash) 학습은 미리 맵핑(Mapping)된 학습 시간동안 샘플링 포인트(Sampling Points)를 취합하기 위한 것으로, 이러한 학습 시간이 경과 후 도 3(가)와 같은 기울기 평가를 통해 산출한 후 업데이트(Update)하게 된다.

또한, 역으로 상기 k값을 알면 배출가스의 온도에 의해서 점성계수를 구할 수 있고, 알고 있는 배출 가스 유량에 따른 각 엔진 운전 조건에서 애쉬(Ash)에 의한 차압 량을 계산할 수 있게 된다.

이와 같이 k값을 구해내면 애쉬(Ash)에 의한 차압성분인 △P_ash를 정확히 예측할 수 있게 되고, 이로부터 상기 △P_ash에 의한 차압성분을 분리해낼 수 있으므로 수트(Soot) 포집 량의 정확한 예측을 가늠하게 된다.

이어, 위와 같은 방법으로 상수 k를 결정한 후 DPF 유효 체적(Y%)을 산출하 게 되는데, 이러한 DPF 유효 체적(Y%)은 구해진 상수 k와 유효 체적(y)간의 상관관계를 이용하여 산출해 주게 된다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같은 선도로 표현된 애쉬(Ash)학습 결과에 의한 상수 k와 산출 유효 체적(y)간의 상관관계를 통하여, DPF 유효 체적(Y%)은 Y(%) = (a x k²) + (b x k) +c 와 같이 상수 k의 함수로서 표현된다.

이어, 정확한 DPF 유효 체적(Y%)을 산출하게 되면 이에 따른 정확한 수트(Soot)량을 산출하게 되는데, 이는 도 5에 도시된 바와 같이 수트(Soot)량과 수트(Soot)에 의한 차압 선도를 나타낸 유효 체적에 따른 수트(Soot)환산 맵을 이용하여 산출하게 된다.

이와 같이 현재 산출된 DPF 유효 체적(Y%)에서 산출되는 정확한 수트(Soot)량 m_soot_Y% 은, DPF 유효 체적이 100%일 때 수트(Soot)량인 m_soot_100%를 기본으로 해 결정되는데, 즉 DPF 유효 체적(Y%)에 따른 m_soot_Y% 는 m_soot_Y% > m_soot_100%x (Y%) 관계를 갖게 되므로, 이와 같은 관계가 성립되는 시점을 DPF의 재생 개시 시점으로 선정해주게 된다.

이러한 절차를 통해 현재 산출된 DPF 유효 체적(Y%)에 따른 현 수트(Soot)량인 m_soot_Y% 가 m_soot_Y% > m_soot_100%x (Y%)를 만족하면, DPF의 재생 개시 시점으로 인식해 DPF 내 퇴적된 수트(Soot)를 제거하게 된다.

하지만, 현재 산출된 DPF 유효 체적(Y%)에 따른 현 수트(Soot)량인 m_soot_Y% 가 m_soot_Y% < m_soot_100%x (Y%)인 조건에서는, DPF 내 퇴적된 수트(Soot)의 제거 작업이 불필요 해 DPF의 재생 개시를 수행하지 않게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 DPF 내부 애쉬(ASH) 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법의 흐름도

도 2는 본 발명에 따른 애쉬(ASH) 학습 값인 K(ash에 의한 차압성분 index)산출 수학 식

도 3(가),(나)는 각각 본 발명에 따른 애쉬(ASH) 학습 값 K 선도 및 점수 상수 선도

도 4는 본 발명에 따른 애쉬(ASH) 학습 값 K와 이에 관련된 DPF 유효 체적 (y%)선도

도 5는 본 발명에 따른 DPF 유효 체적(y%)과 이에 관련된 수트(Soot)환산 맵(Map) 선도

Claims

제어 초기 시, DPF(Diesel Particulate Filter)의 입구부와 출구부의 막힘 부위가 반전되는 구조를 갖는 담체내 퇴적된 수트(Soot) 제거를 위한 재생(산화 반응)절차를 수행하는 DPF 초기 재생단계;

차량 운행으로 인한 마일리지(Mileage)에 따른 담체내 퇴적 수트(Soot)량을 고려한 마일리지(Mileage) 조건판단 단계;

DPF내 퇴적된 수트(Soot)를 제거를 위한 재생 절차를 다시 한번 더 수행한 후, DPF의 애쉬(ASH) 퇴적 학습을 통한 상수 K를 산출하는 애쉬 학습 단계;

DPF 재생 절차 완료 후 측정된 데이터인 애쉬(Ash)에 의한 차압 성분인 △P_ash를 애쉬(Ash)에 의해서 발생하는 차압 크기(y축)와, 배출가스의 점성계수와 유량의 곱(x축)으로 표현되는 좌표축 안에서 각 점들이 갖는 기울기 값으로 표현하는 k 산출 단계;

상수 k가 결정된 후 구해진 상수 k와 DPF유효 체적(y)간의 상관관계를 상수 k 함수로 나타낸, Y(%, 현 DPF 유효 체적) = (a x k²) + (b x k) +c를 통해 산출하는 현 DPF 유효 체적 산출단계;

DPF 유효 체적이 100%일 때에 산출된 현 DPF 유효 체적(Y%)을 이용하여, 산출된 현 DPF 유효 체적(Y%)에 따른 DPF 내 퇴적된 수트(Soot)량을 산출하는 현 수트(Soot) 산출단계;

로 수행되는 ＤＰＦ 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 현 수트(Soot) 산출단계는 수트(Soot)량과 수트(Soot)에 의한 차압 선도를 나타낸 유효 체적에 따른 수트(Soot)환산 맵을 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 ＤＰＦ 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법.
청구항 1에 있어서, 현 산출된 DPF 유효 체적(Y%)에 따른 현 수트(Soot)량 m_soot_Y% 이, m_soot_Y% > m_soot_100%x (Y%)를 만족하면, DPF의 재생 개시 시점으로 인식해 DPF 내 퇴적된 수트(Soot)를 제거하는 것을 특징으로 하는 ＤＰＦ 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법.
청구항 1에 있어서, 현 산출된 DPF 유효 체적(Y%)에 따른 현 수트(Soot)량 m_soot_Y% 이, m_soot_Y% < m_soot_100%x (Y%)인 조건에서는, DPF의 재생 개시를 수행하지 않는 것을 특징으로 하는 ＤＰＦ 내부 애쉬 퇴적에 따른 학습 기능을 통한 유효 체적 인식 방법.