KR101394877B1 - 자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 DPF(Diesel Particulate Filter)의 재생온도를 효과적으로 제어하여 매연물질(soot)의 재생을 용이하게 할 수 있는 자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법에 관한 것이다.
이에 본 발명은, DOC 발열량을 측정하는 과정; 외기온도에 따른 냉각량 보정치를 확보하는 과정; 상기 냉각량 보정치를 이용하여 냉각량을 계산 및 추정하는 과정; 상기 냉각량을 환산하여 연료 후분사량 보정값을 산출하는 과정; 상기 연료 후분사량 보정값을 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량과 합산하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법을 제공한다.

Description

자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법 {Temperature control method of DPF for vehicle}
본 발명은 자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 DPF(Diesel Particulate Filter)의 재생온도를 효과적으로 제어하여 매연물질(soot)의 재생을 용이하게 할 수 있는 디젤미립자필터의 온도제어방법에 관한 것이다.
디젤 자동차에서 배출되는 매연물질(soot)을 제거하기 위해 DPF(Diesel Particulate Filter)를 적용하는 배기시스템에서는 주기적으로 퇴적된 매연을 제거하기 위한 재생과정(regeneration process)를 거치게 되는데, 이때 DPF의 입구온도를 550~650℃으로 승온하고 유지하는 정교한 온도제어를 함으로써 차량을 연속적으로 주행할 수 있도록 한다. 이러한 DPF의 재생과정에서 DPF의 입구온도가 너무 낮으면 퇴적된 매연이 제거되지 않고 온도가 너무 높으면 급격한 산화반응으로 DPF가 파손되는 위험이 있다.
일반적으로 종래에는 차량 주행조건에서 DPF의 입구온도를 550~650℃의 고온으로 제어하기 위해 DPF 전단에 DOC(Diesel Oxdiation Catalyst)를 적용함으로써 연소실에서 제어되어 배출되는 연료와 DOC의 산화 반응열을 이용한다.
종래에는 DOC와 DPF를 이용하여 구성된 배기시스템에서 DOC와 DPF의 간격이 큰 경우, 재생과정 중 DOC에서 발생된 열량이 DOC와 DPF 사이의 긴 배기파이프를 거치면서 냉각됨에 의해 DPF의 재생온도를 제어하는데 어려움이 있다.
다시 말해, 종래에는 DPF 입구온도가 목표치를 불만족할 시 PI(Proportional Integral) 제어를 통해 연소실에 연료를 후분사하는데, 이때 DOC에서 발생하는 발열량 이외에 DOC와 DPF 사이의 배기관에서 냉각열량이 발생하여 DPF의 온도제어시 교란인자로 작용하게 되어 DPF 온도제어의 오실레이션이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 점을 개선하기 위해 고안한 것으로서, DPF의 입구 측에 연결된 DOC의 출구 측에서 DOC 발열량을 측정하고, DOC 출구와 DPF 입구 사이의 배기관을 통과하면서 발생하는 냉각량(손실열량)을 DOC와 DPF 사이의 배기관 길이 및 외기온에 따라 변동되는 열량값으로 계산하여 추정하여, DOC와 DPF 사이에서 발생하는 냉각열량을 보정한 연료 후분사를 수행하여 DPF의 입구온도/재생온도를 효율적으로 제어할 수 있는 자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, DOC 발열량을 측정하는 과정; 외기온도에 따른 냉각량 보정치를 확보하는 과정; 상기 냉각량 보정치를 이용하여 냉각량을 계산 및 추정하는 과정; 상기 냉각량을 환산하여 연료 후분사량 보정값을 산출하는 과정; 상기 연료 후분사량 보정값을 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량과 합산하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법을 제공한다.
본 발명에 따른 온도제어방법은, 상기 냉각량을 계산 및 추정하는 과정에서, 'α* (Ve * h) * (T3 - Ttarget)'을 이용하여 냉각량을 계산하며, 여기서 상기 α는 냉각량 보정치이고, Ve는 배기관을 이동하는 배기가스의 유동속도이고, h는 DOC와 DPF 사이 배기관의 길이이고, T3는 DOC 발열량이고, Ttarget은 DPF 입구측의 목표온도값이다.
또한 본 발명에 따른 온도제어방법은, 상기 DOC 발열량을 측정하는 과정 전에, DPF의 매연물질 퇴적량을 모니터링하여 매연물질 퇴적량이 설정값 이상인지 여부를 판단하는 과정; 상기 매연물질 퇴적량이 설정값 이상이면 DPF 입구측 온도가 목표온도 범위 내에 있는지 여부를 판단하는 과정; 상기 DPF 입구측 온도가 목표온도 범위에 미도달한 것으로 판단되면 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량을 산출하는 과정;을 포함한다.
본 발명의 DPF 온도제어방법은 DPF와 DOC 사이의 배기관에서 손실되는 냉각량을 고려하여 연료 후분사를 실시함으로써 DPF 입구온도제어의 정확도를 증대시킬 수 있으며, 이렇게 DPF 온도제어의 정확도가 향상됨에 의해 배기정화장치의 정화성능 및 내구성 향상을 도모할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 DPF의 온도제어 과정을 나타낸 순서도
도 2는 본 발명에 따른 DPF의 온도제어 과정 중 DPF와 DOC 사이의 배기라인에서 발생하는 냉각량을 계산한 뒤, 상기 냉각량을 보정한 연료 후분사량을 산출하는 과정을 나타낸 개략도
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 DPF(디젤미립자필터)의 입구측 온도를 매연물질(soot)의 재생이 가능한 온도범위로 유지하기 위해 DOC(디젤산화촉매장치)를 이용하되, DPF와 DOC 사이 배기라인의 길이 및 외기온으로 인해 손실되는 DOC 발열량의 손실열량(혹은 냉각량)을 계산하여 추정하고, 상기 손실열량을 고려하여 DOC 출구측 온도를 최적의 온도범위로 유지/제어하도록 연료 후분사를 제어함에 특징이 있다.
도 1에는 본 발명의 DPF 온도제어 과정이 순차적으로 도시되어 있고, 도 2에는 상기 DPF 온도제어 과정 중 DOC와 DPF 사이의 배기라인에서 발생하는 냉각량을 계산한 뒤 상기 냉각량을 보정한 연료 후분사량을 산출하는 과정이 도시되어 있다.
도 1에 나타낸 바와 같이, DPF(1)의 입구측에는 배기관(2)을 통해 DOC(3)가 연결되어 있고, 상기 배기관(2)에는 DPF(1)의 입구측에 배치되는 DPF 온도센서(4)와 DOC(3)의 출구측에 배치되는 DOC 온도센서(5)가 장착되어 있다.
본 발명에서는 상기 DOC 온도센서(5)를 이용하여 DOC(3)에서 생성되는 발열량을 모니터링하고, 상기 DOC 발열량이 DOC(3)와 DPF(1) 사이 배기관(2)을 통과하면서 냉각되어 손실되는 냉각량을 계산하여 추정하며, 이렇게 추정한 냉각량을 고려하여 연료 후분사량을 보정함으로써 DOC(3) 출구측 온도를 최적의 온도범위로 유지하고 DPF(1) 입구측 온도를 목표온도로 유지한다.
이를 위하여, 도 2에 나타낸 바와 같이, DPF의 매연물질을 재생하기 위한 온도제어가 필요한지 여부를 판단하기 위하여, 엔진이 정상 가동하고 있는 상태에서(S10) DPF에 퇴적된 매연물질 퇴적량을 모니터링한다(S11).
상기 매연물질 퇴적량을 모니터링하기 위하여, 제어부에서는 차량의 운전시간(주행시간)과 주행거리 및 DPF의 입/출구 차압에 대한 신호를 수신하며, 수신한 상기 신호를 이용하여 매연물질 퇴적량을 산출한다.
산출한 매연물질 퇴적량이 설정값 이상인지 여부를 판단하여(S12), 매연물질 퇴적량이 설정값 이하이면 다시 매연물질 퇴적량을 모니터링하고, 설정값 이상이면 DPF 입구측 온도값을 확인한다(S13).
제어부에서는 상기 DPF 입구측 온도값(DPF 온도센서의 센싱값)을 목표온도값과 비교(S13)한 결과, DPF 입구측 온도가 목표온도에 도달한 것으로 판단되면(혹은 목표온도 범위 내에 있는 것으로 판단되면) 연료 후분사 과정을 건너뛰어 다시 매연물질 퇴적량을 모니터링하고, DPF 입구측 온도가 목표온도에 미도달한 것으로 판단되면(혹은 목표온도 범위를 벗어난 것으로 판단되면) DOC 성능(효율)에 따른 비례적분 게인(PI gain)을 이용한 PI 제어를 수행하여 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량을 산출한다(S14).
여기서 적용하는 PI 제어 방식은 종래 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량 제어시 일반적으로 사용하는 제어 방식이므로, 이에 대한 구체적인 설명은 생략하도록 한다.
DOC 발열량에 따른 연료 후분사량을 산출한 다음에는 DPF(1)와 DOC(3) 사이 배기관(2)을 이동하는 배기가스의 냉각량 즉, 상기 배기관(2)을 통해 DPF(1) 입구측으로 전달되는 DOC 발열량의 손실열량을 계산하여 추정한 뒤, 이 손실열량 또는 냉각량을 이용하여 연료 후분사량을 보정한다(S15).
도 2를 보면, DOC 온도센서(5)를 통해 DOC(3) 출구측 온도값 즉, DOC(3)에서 생성된 발열량을 측정하고, DPF 온도센서(4)를 통해 DPF(1) 입구측 온도값을 측정한다.
상기 DOC 출구측 온도값과 DPF 입구측 온도값을 이용하여 보정치(α) 학습맵을 구성함으로써 상기 냉각량 산출시 정확도를 향상시킨다.
상기 보정치(α) 학습맵은 사전에 반복적인 측정을 통해 데이터를 확보하여 구성하는데, DOC 출구측 온도값과 DPF 입구측 온도값의 차가 외기온도에 따라 달라지는 것을 보정치(α)로서 데이터화하여 구성함으로써, 외기온도에 따른 배기가스(DOC와 DPF 사이 배기관을 이동하는 배기가스)의 냉각속도에 대한 보정치(α)를 제공할 수 있다.
즉, 상기 보정치 학습맵은 외기온도에 따른 영향을 반영한 보정치 즉, 외기온도에 따른 배기관에서의 냉각량에 대한 적절한 보정치(α)를 제공할 수 있다.
아울러, 배기시스템의 구조에 따른 영향을 반영한 보정치 학습맵을 구성하는 것도 가능하다.
상기 보정치 학습맵으로부터 현재 외기온도(Tatm)에 따른 보정치(α)를 획득한 다음, 이 보정치(α)를 이용하여 배기관에서의 냉각량을 계산하며, 상기 냉각량은 아래 식을 통해 계산할 수 있다.
냉각량 = α* (Ve * h) * (T3 - Ttarget)
여기서, Ve는 배기관을 이동하는 배기가스의 유동속도이고, h는 DOC와 DPF 사이 배기관의 길이이고, T3는 DOC 출구측 온도값(DOC 발열량)이고, Ttarget은 DPF 입구측에 형성하고자 하는 목표온도값이다.
이렇게 산출하여 추정되는 냉각량은 DOC 출구에서 배출된 배기가스가 DPF 입구로 유입되기 전까지 배기관을 이동하는 중에 발생하는 손실열량값 혹은 손실온도값으로서, DOC와 DPF 사이 배기관의 길이 및 외기온에 영향을 받게 되며, 그에 따라 변동될 수 있다.
즉, DOC(3)와 DPF(1) 사이 배기관(2)에서 발생하는 냉각량은 배기가스의 유량(Ve * h), DOC 온도센서의 센싱값과 DPF 입구측에 형성하고자 하는 목표온도값의 차(T3 - Ttarget), 및 냉각량 보정치(α)의 승산(乘算)을 통해 계산 가능하다.
제어부에서는 상기 식을 통해 DPF와 DOC 사이 배기관에서의 냉각량을 산출한 뒤, 상기 냉각량을 환산하여 연료 후분사량 보정값을 산출하며, 이렇게 산출한 연료 후분사량 보정값을 앞서 산출한 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량과 합산함으로써 상기 연료 후분사량을 보정한다(S15).
다시 말해, 냉각량을 환산한 연료 후분사량 보정값을 이용하여 배기관에서 손실되는 배기가스의 열량을 보정할 수 있으며, 이렇게 보정한 연료 후분사량에 따라 엔진 연소실에 연료를 후분사하도록 제어를 한다(S16).
이때의 보정한 연료 후분사량을 이용하여 DPF 입구온도를 제어하게 됨으로써 그 정확도를 높일 수 있게 된다.
이때의 제어부는 DOC 출구측 측정온도와 DPF 입구측 추정온도 간 차이값을 이용하여 연료 후분사량을 보정한 바와 같은 제어를 수행하게 된다.
정리해보면, 연료 후분사량을 보정하는 과정은, DOC 출구측에서 DOC 발열량을 측정하는 과정, 보정치 학습맵에서 현재 외기온도에 따른 냉각량 보정치를 확보하는 과정, 상기 냉각량 보정치를 이용하여 냉각량을 계산 및 추정하는 과정, 상기 냉각량을 환산하여 연료 후분사량 보정값을 산출하는 과정, 및 상기 연료 후분사량 보정값을 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량과 합산하여 상기 연료 후분사량을 보정하는 과정 등으로 이루어진다.
제어부는 상기와 같이 냉각량을 보정한 연료 후분사량을 결정한 뒤, 결정한 상기 연료 후분사량에 따라 연료 후분사를 수행하도록 제어를 하며(S16), 설정해둔 연료 후분사 목표시간에 도달하면(S17) 연료 후분사를 중단하고 매연물질 재생을 완료(S18)한다.
이와 같은 본 발명의 DPF 온도제어방법은 DPF와 DOC 사이의 배기관에서 손실되는 냉각량을 고려하여 연료 후분사를 실시함으로써 DPF 입구온도제어의 정확도를 증대시킬 수 있으며, 이렇게 DPF 온도제어의 정확도가 향상됨에 의해 배기정화장치의 정화성능 및 내구성 향상을 도모할 수 있다.
1 : DPF
2. : 배기관
3. : DOC
4 : DPF 온도센서
5 : DOC 온도센서

Claims (3)

  1. DOC 발열량을 측정하는 과정;
    외기온도에 따른 냉각량 보정치를 확보하는 과정;
    상기 냉각량 보정치를 이용하여 냉각량을 계산 및 추정하는 과정;
    상기 냉각량을 환산하여 연료 후분사량 보정값을 산출하는 과정;
    상기 연료 후분사량 보정값을 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량과 합산하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 냉각량을 계산 및 추정하는 과정에서는, 'α* (Ve * h) * (T3 - Ttarget)'을 이용하여 냉각량을 계산하며, 상기 α는 냉각량 보정치이고, Ve는 배기관을 이동하는 배기가스의 유동속도이고, h는 DOC와 DPF 사이 배기관의 길이이고, T3는 DOC 발열량이고, Ttarget은 DPF 입구측의 목표온도값인 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 DOC 발열량을 측정하는 과정 전에,
    DPF의 매연물질 퇴적량을 모니터링하여 매연물질 퇴적량이 설정값 이상인지 여부를 판단하는 과정; 상기 매연물질 퇴적량이 설정값 이상이면 DPF 입구측 온도가 목표온도 범위 내에 있는지 여부를 판단하는 과정; 상기 DPF 입구측 온도가 목표온도 범위에 미도달한 것으로 판단되면 DOC 발열량에 따른 연료 후분사량을 산출하는 과정;을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동차용 디젤미립자필터의 온도제어방법.
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