KR101344285B1 - 연료첨가형 촉매 분사 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연료평균량을 계산하는 단계, 연료평균량과 현재 연료감지량을 비교하는 단계, 연료평균량이 현재 연료감지량보다 큰 경우, 연료평균량에서 현재 연료감지량을 뺀 검출연료량이 연료소비량에 미리 설정된 보정값을 곱한 보정된 연료소비량과 비교하는 단계 및 검출연료량이 상기 보정된 연료소비량보다 큰 경우, 검출연료량에 촉매첨가비율을 곱한 촉매분사량을 연료탱크에 분사하도록 촉매펌프를 제어하는 단계를 포함하는 연료첨가형 촉매 분사 제어방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 연료탱크내의 연료량에 따라 FBC의 비율이 일정하게 유지되도록 제어하여 분사 노즐이 막히는 것을 방지함으로써 엔진의 연비를 개선시키며, PM의 연소 온도를 낮춤으로써 PM 발생량을 줄여주고, 이상 연소에 의한 후단 열점의 발생 가능성을 낮추는 장점이 있다.

Description

연료첨가형 촉매 분사 제어방법{CONTROL METHOD FOR INJECTING FUEL BORNE CATALYST}

본 발명은 연료첨가형 촉매 분사 제어방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 연료탱크내의 연료량 변동에 따라 연료첨가형 촉매 비율이 일정하게 유지할 수 있도록 연료탱크에 연료첨가형 촉매의 분사를 제어할 수 있는 연료첨가형 촉매 분사 제어방법에 관한 것이다.

디젤 자동차는 가솔린 자동차에 비하여 엔진의 내구성이 높고 효율이 20~30% 가량이나 높아 연비 및 출력 면에서 성능이 우수하여 주로 트럭 및 버스 등 대형차량에 적용되어 왔다. 또한 디젤 자동차는 CO2, CO, THC(Total Hydrocarbon; 총미연소탄화수소) 및 증발탄화수소의 양이 적어 지구온난화를 덜 유발시킨다는 장점 또한 갖추고 있기 때문에, 점차로 중소형차량용 엔진에도 디젤 엔진을 사용하는 기술이 적용되면서, 선진 각국에서는 이러한 중소형 디젤 자동차의 수요가 계속 증가하고 있다. 그러나 디젤 자동차의 배기가스에 다량 포함되어 있는 질소 산화물(NOx)과 PM은 총 대기오염의 40%를 차지 할 정도로 대기오염의 주범으로 인식되며, 그 때문에 디젤 자동차의 생산 시에는 환경적 규제가 엄격하게 적용되고 있다. 질소산화물과 PM(Particulate Matters)의 배출량 기준에는 각국 상호간에 타협관계(trade-off)가 있으며, 더불어 각국은 정책적 요구에 따라 그 발생 정도를 조절하고 있다. 그러나 고유가 시대에 있어서 종래의 가솔린 자동차에 비해 보다 효율이 좋은 디젤 자동차가 각광받아 가고 있으며, 이에 따라 디젤 자동차의 생산에 비례하여 발생하는 대기오염물질의 배출량을 줄이기 위하여 선진 각국에서는 디젤엔진의 배기가스 오염물질 포함량에 대한 규제를 점점 강화시켜 가고 있는 추세이다.

디젤 엔진의 배기가스 규제를 만족시키기 위한 대응기술로는 연료의 개선, 연소 방법의 개선, 엔진의 개량 등 오염물질이 원천적으로 적게 발생하도록 하는 데 목적이 있는 전처리 기술과, 배기가스 배출구에 장착하여 발생된 배기가스를 정화하는 후처리 기술로 나뉜다. 각 분야에서 꾸준한 연구와 개발이 이루어지고 있으나 현재로서는 후처리 기술이 상용화에 보다 유리하다고 평가되고 있고, 따라서 후처리 기술에 대하여 보다 많은 연구개발이 이루어지고 있는 실정이다. 이러한 후처리 기술로는, (1) PM 중 미연소탄화수소를 정화하기 위한 산화촉매, (2) PM을 필터로 걸러주는 PM 제거용 필터(DPF), (3) 환원 분위기 하에서 질소산화물(NOx)을 분해 또는 환원하는 DeNOx 촉매 시스템 등이 있다. 있는데, 현재에는 상술한 여러 가지 기술들을 효과적으로 조합한 시스템, 즉 예를 들면 촉매 필터를 구비하는 DPF 시스템 등과 같은 하이브리드형 후처리 장치들이 널리 사용되고 있다. 종래의 배기정화 시스템에서, 매연저감장치로 유입되는 배출가스에 포함되는 매연 중 PM은 상기 매연저감장치에 의해 포집(trapping)됨으로써 90% 이상 제거가 가능하다. PM이 포화되면 매연저감장치의 포집 능력이 상실될 뿐만 아니라 엔진에 역압이 걸려 엔진의 구동을 방해하게 될 가능성이 있으므로, 상기 PM을 제거하는 과정이 필요하며, 이렇게 매연저감장치에 포화되어 있는 PM을 제거하는 과정을 재생(regeneration)이라고 한다. 이러한 재생 방법으로는 일반적으로, 디젤 연료를 매연저감장치로 유입되는 배기가스에 분사하여 자연 발화시킴으로써 배출가스의 온도를 상승시키고, 고온의 배기가스를 매연저감장치에 유입시킴으로써 매연저감장치에 포집되어 있는 PM을 연소시켜 제거하는 방법이 널리 사용된다.

한편 DPF의 재생온도를 낮추어 용이하게 재생이 이루어지도록 하기 위하여 연료첨가형 촉매(FBC : FUEL BORNE CATALYST)를 촉매펌프를 통하여 디젤 연료탱크에 분사하는 기술이 종래에 제시되었다. 그러나 오르막길, 내리막길, 과속방지턱 등의 차량 주행상태에 따라 연료감지센서로부터 출력되는 연료측정값이 일시적으로 증가하는 것으로 판단하여 연료탱크에 연료첨가형 촉매를 분사하여 연료내 촉매의 농도가 증가된다. 또는 연료의 주입에 따른 연료량 변동과 관계없이 일정 시간 간격으로 연료첨가형 촉매를 연료탱크에 분사함으로써 연료탱크내 금속, 금속산화물 또는 유기금속 화합물 형태의 상기 연료첨가형 촉매의 농도가 높아지며, 이에따라 연료 분사 노즐이 막히는 문제점이 있다. 한편 연료내 연료첨가형 촉매의 농도가 낮은 경우, DPF의 재생온도를 감소시키지 못함에 따라 PM 발생량이 늘어나며, 이상 연소에 의한 후단 열점(Hot spot) 발생 가능성이 높다는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 오르막길, 내리막길, 과속방지턱 등의 차량 주행상태를 고려하여 연료탱크내에 연료가 주입되었는지 판단하여 연료첨가형 촉매비율(연료량:촉매량)이 일정하게 유지되도록 연료첨가형 촉매의 분사를 제어할 수 있는 연료첨가형 촉매 분사 제어방법을 제공하기 위한 것이다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일실시예인 연료첨가형 촉매 분사 제어방법은 연료평균량을 계산하는 단계, 연료평균량과 현재 연료감지량을 비교하는 단계, 연료평균량이 현재 연료감지량보다 큰 경우, 연료평균량에서 현재 연료감지량을 뺀 검출연료량이 연료소비량에 미리 설정된 보정값을 곱한 보정된 연료소비량과 비교하는 단계 및 검출연료량이 상기 보정된 연료소비량보다 큰 경우, 검출연료량에 촉매첨가비율을 곱한 촉매분사량을 연료탱크에 분사하도록 촉매펌프를 제어하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일실시예의 일태양에 의하면, 연료평균량이 현재 연료감지량보다 작고, 현재 연료감지량에서 현재 연료감지량을 뺀 검출연료량이 측정 시간동안의 연료소비량보다 작은 경우, 연료가 주입되지 않았다고 판단하는 단계를 더 포함한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 연료탱크내의 연료량에 따라 FBC의 비율이 일정하게 유지되도록 제어하여 분사 노즐이 막히는 것을 방지함으로써 엔진의 연비를 개선시키는 효과가 있다. 또한 일정 농도의 FBC 비율이 유지되도록 FBC 분사량을 제어함에 따라 PM제거 필터(DPF)에서 PM의 연소 온도를 낮춤으로써 PM 발생량을 줄여주며 이상 연소에 의한 후단 열점의 발생 가능성을 낮추는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료첨가형 촉매 분사 제어방법을 설명하기 위한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료첨가형 촉매 분사 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 3a 내지 도 3c는 차량 주행상태에 따른 연료 주입 판단결과 FBC를 분사하는 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

이하의 상세한 설명은 예시에 지나지 않으며, 본 발명의 실시 예를 도시한 것에 불과하다. 또한 본 발명의 원리와 개념은 가장 유용하고, 쉽게 설명할 목적으로 제공된다.

따라서, 본 발명의 기본 이해를 위한 필요 이상의 자세한 구조를 제공하고자 하지 않았음은 물론 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 실체에서 실시될 수 있는 여러 가지의 형태들을 도면을 통해 예시한다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연료첨가형 촉매 분사 제어방법을 설명하기 위한 개략도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 연료탱크에 주입되어 있는 연료량에 따른 연료첨가형 촉매(이하 'FBC'라 한다.)의 분사 제어장치는 FBC가 저장되어 있는 촉매탱크(10), 상기 촉매탱크(10)와 연결되며, 제어부(40)의 제어명령에 따라 일정량의 FBC를 연료탱크(10)에 분사하는 촉매펌프(20) 및 상기 연료감지센서로부터 입력되는 연료량으로부터 차량의 주행상태에 따라 연료가 주입되었는지 판단하고, 주입되는 연료량에 따른 FBC 분사량을 촉매펌프가 연료탱크에 분사하도록 제어하는 제어부(10)를 포함한다.

FBC는 팔라듐, 백금, 구리, 철 및 세륨 철 및 세륨 등으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 복합금속을 사용할 수 있다. 가장 바람직하게는 구리, 철 및 세륨으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 복합금속을 금속을 사용하는 것이 좋다. 또한 상기 FBC는 디젤 엔진(50)에서 연소되기 전 순수한 금속, 금속산화물 또는 유기금속 화합물 상태일 수 있다.

연료감지센서(31)는 연료탱크내에 주입된 연료량을 전압값으로 제어부(40)로 출력할 수 있으며, 제어부(40)는 상기 전압값을 디지털로 변환한 후 차량의 주행상태에 따라 연료가 주입되었는지 판단한다. 예를 들어 차량이 오르막길을 주행하고 있는 경우, 연료탱크내의 연료수위는 변하게 되므로 연료감지센서(31)로부터 출력되는 연료량이 실제 연료량보다 더 낮게 측정되거나, 차량이 내리막길을 주행하고 있는 경우 연료량이 실제 연료량보다 더 높게 측정되는 경우가 발생할 수 있다(연료감지센서의 위치에 따라 반대로 나타날 수도 있음). 마찬가지로 과속방지턱, 평지, 급가속, 급출발, 정지 등의 차량의 주행상태에 따라 연료탱크에 있는 실제 연료량과 측정 연료량은 다를 수 있으며, 만약 제어부가 연료탱크에 연료를 주입함이 없이 차량의 주행상태만에 따라 연료량이 높아졌다고 판단하여 FBC를 연료탱크에 분사하도록 촉매펌프를 제어한다면, 연료내의 FBC의 농도는 높아질 것이다.

따라서 제어부(40)는 연료내 FBC 비율을 일정하게 유지하기 위해서는 실제 연료가 주입될 경우에만, 연료 주입에 따른 연료의 증가량을 계산하여 그 증가량에 해당하는 만큼 FBC 첨가량을 분사하도록 제어할 필요가 있다. 여기서 주유시 차량의 시동을 끄는 경우의 연료량과 다시 시동을 켜는 순간의 연료량을 측정하여 연료 증가량을 계산할 수도 있으나, 실제적으로 주유시 차량의 시동을 끄지 않는 경우도 있음으로 완전하지 않다.

이하 계속적인 차량의 주행중(시동 이후) 연료의 변화량을 감지하여 연료가 주입되었는지 판단하고, 주입된 연료증가량에 따른 FBC 분사량을 제어하는 방법에 대하여 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 연료첨가형 촉매 분사 제어방법을 설명하기 위한 순서도이다.

도 2에서 보는 바와 같이, FBC 분사 제어방법은 연료평균량을 계산하는 단계(S20), 연료평균량과 현재 연료감지량을 비교하는 단계(S22), 연료평균량이 현재 연료감지량보다 큰 경우, 연료평균량에서 현재 연료감지량을 뺀 검출연료량(S23)이 연료소비량에 미리 설정된 보정값을 곱한 보정된 연료소비량과 비교하는 단계(S24) 및 검출연료량이 상기 보정된 연료소비량보다 큰 경우, 검출연료량에 촉매첨가비율을 곱한 촉매분사량을 연료탱크에 분사하도록 촉매펌프를 제어하는 단계(S25)를 포함한다.

먼저, 연료 평균량은 연료 전압을 점검하는 시간(SCAN_TIME)에 따라 연료감지센서로부터 측정한 전압값을 디지털로 변환한 후 로우패스필터(LOWPASS_FILTER) 및 연료 판단 계산 주기(CALC_TIME)에 따라 측정된 연료량을 평균값 필터(AVERAGE_FILTER)를 이용하여 계산된 값이다.

현재 연료감지량은 특정 시간(예를 들어 상기 연료 판단 계산 주기(CALC_TIME) 중 임의의 시간)에 연료감지센서로부터 입력된 값이다.

촉매 분사량(S40)은 촉매탱크를 차량에 처음으로 장착한 경우(또는 연료탱크내에 연료가 다 소모된 후 연료를 채운 경우), 연료탱크내 FBC 분사량으로 상기 연료 평균량에 촉매첨가비율(DOSING RATIO[PPM])을 곱한 값이다.

S23단계에서의 검출연료량은 연료 평균량이 현재 연료감지량보다 큰 경우, 연료 평균량에서 현재 연료감지량을 뺀 값이며, S30에서 검출연료량은 현재 연료감지량에서 연료 평균량을 뺀 값이다.

연료 소비량은 소정의 시간구간에 따른 연료 변화의 추이를 계산하여 구한 값으로, 예를 들어 연료 판단 계산 주기(CALC_TIME)가 1000msec이고 연료 소비 판단 지연 시간(MAX_CON_FUEL_TIME)이 150이라고 가정하면, 150sec(1000msec*150) 동인의 최대 연료소비량을 말한다.

보정된 연료소비량(S24)은 상기 연료 소비량에 보정값(TOLERANCE)을 곱한 값이다.

S25단계에서의 촉매 분사량은 S23단계에서의 검출연료량에 촉매첨가비율(DOSING RATIO[PPM])을 곱한 값이다.

먼저 제어부는 소정의 주기로 연료감지센서로부터 출력되는 연료량에 대하여 계속적으로 연료 평균값을 계산한다(S20). 도 3a를 참조하면, 제어부는 급가속, 내리막길, 오르막길, 평지, 주유, 급정지의 차량 주행상태에 따른 소정의 시간동안 연료감지센서로부터 측정된 연료측정전압을 이용하여 연료 평균값을 계산한다.

이후 제어부는 연료 평균량이 현재 연료감지량보다 큰 경우(S22), 검출연료량을 계산한 후(S23), 검출연료량이 보정된 연료 소비량보다 큰 경우(S25), 검출연료량에 촉매첨가비율을 곱한 촉매 분사량만큼 연료탱크에 FBC가 분사되도록 촉매 펌프를 제어한다(S25). 도 3b 및 도 3c를 참조하면, 제어부는 검출연료량이 보정된 연료소비량보다 큰 경우(도 3b의 연료 판단 계산 시간이 4070 ~ 5009 구간) 연료가 주입되었다고 판단하여, 초기 1회 분사 이후 한번 더 FBC를 연료탱크에 분사하도록 제어함을 알 수 있다.

한편 제어부는 연료 평균량이 현재 연료감지량보다 작은 경우(S22), 검출연료량을 계산한 후(S30), 검출연료량이 소정의 측정 시간 동안의 연료 소비량보다 작은 경우(S25), 연료가 주입되지 않았다고 판단(S32)한다.

따라서 본 발명의 연료첨가형 촉매 분사 제어방법에 따르면, 평균연료량을 계산하여 다양한 주행상태에 따른 연료의 변화량(검출연료량)을 감지하여 촉매 분사량을 제어함으로써 단순히 염료감지센서로부터 입력되는 측정값에 따라 FBC 분사량을 제어하는 것보다 연료내 FBC 농도를 일정하게 유지할 수 있다.

이상에서는 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다.

그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

10:촉매탱크 20:촉매펌프
30:연료탱크 31:연료감지센서
40:제어부 50:엔진
60:PM제거 필터(DPF)

Claims (2)

1. 연료평균량을 계산하는 단계,
   연료평균량과 현재 연료감지량을 비교하는 단계,
   연료평균량이 현재 연료감지량보다 큰 경우, 연료평균량에서 현재 연료감지량을 뺀 검출연료량이 연료소비량에 미리 설정된 보정값을 곱한 보정된 연료소비량과 비교하는 단계 및
   검출연료량이 상기 보정된 연료소비량보다 큰 경우, 검출연료량에 촉매첨가비율을 곱한 촉매분사량을 연료탱크에 분사하도록 촉매펌프를 제어하는 단계를 포함하는 연료첨가형 촉매 분사 제어방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   연료평균량이 현재 연료감지량보다 작고, 현재 연료감지량에서 현재 연료감지량을 뺀 검출연료량이 측정 시간동안의 연료소비량보다 작은 경우, 연료가 주입되지 않았다고 판단하는 단계를 더 포함하는 연료첨가형 촉매 분사 제어방법.

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