KR101471581B1 - 배기 가스 정화 시스템 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배기 가스 정화 시스템의 입자 필터 내의 수트 부하를 예측하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것으로, 상기 수트 부하를 결정하기 위해 상기 입자 필터를 가로지르는 압력 강하를 이용하여 예측한다. 본 발명에 따르면, 입자 필터를 가로지르는 압력 강하의 계측과 그에 따른 상기 예측은, 상기 배기 가스 정화 시스템의 배기 가스 질량 유동이 유동 역치값을 초과할 때, 상기 입자 필터에 실질적으로 물이 없을 때, 및 상기 입자 필터의 온도가 제1 역치값을 초과할 때, 이루어져야만 한다. 그 결과, 입자 필터 내의 수트 부하를 확실하게 예측할 수 있다.

Description

배기 가스 정화 시스템 및 방법{METHOD AND SYSTEM FOR EXHAUST CLEANING}
본 발명은 입자 필터에 관한 것으로, 특히, 청구항 제1항의 전제부에 따른 입자 필터 내의 수트 부하(soot load)를 예측하기 위한 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 청구항 제20항의 전제부에 따른 입자 필터 내의 수트 부하를 예측하도록 된 시스템에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 시스템을 구비한 차량과 상기 방법을 적용하기 위한 컴퓨터 프로그램에 관한 것이다.
특히, 도시 지역에서 오염과 공기 품질에 대한 공적인 관심이 증가함에 따라, 많은 관할 구역에서 배출 기준과 법규가 채택되기에 이르렀다.
이러한 배출 기준들은 흔히 내연 기관이 장착된 차량으로부터의 배기 가스 방출에 대한 허용가능한 한계를 규정하는 요건들을 설정한다. 이 기준들은 흔히 대부분의 유형의 차량들로부터, 예컨대, 질소 산화물(NOx), 탄화수소(HC), 일산화탄소(CO) 및 입자들의 방출 수준을 규제한다.
이러한 배출 기준을 충족하기 위한 노력으로 인하여, 내연 기관의 연소에 의해 발생하는 배기 가스의 후처리(정화)를 통해 배출물을 저감하고자 하는 연구가 계속되고 있다.
내연 기관으로부터의 배기 가스를 후처리 하는 하나의 방법은 소위 촉매 정화 공정이며, 이에 따라, 내연 기관에 의해 구동되는 차량과 많은 다른 적어도 대형 운송 수단은 일반적으로 적어도 하나의 촉매를 또한 구비한다.
또한, 후처리 시스템은, 대안적으로 또는 하나 이상의 촉매와 조합하여, 다른 부품, 예컨대, 입자 필터를 포함한다. 입자 필터와 촉매가 서로 통합되는 경우도 있다.
내연 기관의 실린더 내에서의 연소는 수트 입자의 형성을 초래한다. 입자 필터는 이러한 수트 입자를 포획하기 위해 사용되며, 배기 가스 유동이 필터 구조를 통과하도록 함으로써, 통과하는 배기 가스 유동으로부터 수트 입자가 포획되어 입자 필터에 저장되도록 작용한다.
입자 필터는 차량 운행중에 수트로 점차 충진되며, 조만간 비워져야 하는데 일반적으로, 이는 소위 재생(regeneration)에 의해 구현된다.
재생에서는 주로 탄소 입자로 이루어진 수트 입자가 하나 이상의 화학적 공정을 거쳐 이산화탄소 및/또는 일산화탄소로 변환되며, 재생은 대체로 두 가지 서로 다른 방식으로 이루어질 수 있다. 한가지 방식은 소위 산소(O2) 기반 재생, 소위 능동 재생에 의한 재생이다. 능동 재생에서는 연료가 배기 가스에 첨가되어, 입자 필터의 하류 측에 배치된 산화 촉매에서 연소하게 된다. 능동 재생에서는 탄소가 산소에 의해 이산화탄소와 물로 변환된다.
이러한 화학 반응에는 소정의 반응 속도(필터 배출 속도(emptying rates))를 완벽하게 달성하기 위해 비교적 높은 입자 필터 온도가 필요하다.
능동 재생 대신, 이산화질소(NO2) 기반 재생, 소위 수동 재생을 적용하는 것이 가능하다. 수동 재생에서는 탄소와 이산화질소 간의 반응에 의해 질소 산화물과 탄소 산화물이 형성된다. 수동 재생의 장점은 상당히 낮은 온도에서 소정의 반응 속도와, 그에 따른 필터의 배출 속도가 달성된다는 것이다.
하기한 바와 같이, 필터의 수트 부하를 결정하기 위해, 입자 필터를 가로지르는 차압, 즉 필터를 가로지르는 압력 강하가 이용된다. 이때, 이 압력 강하는 재생을 실시하여야 하는 시기를 결정하기 위한 기초로서 이용된다. 그러나, 입자 필터를 가로지르는 차압을 계측함에 있어서 많은 오차의 근원에 영향을 받게 되고, 그 결과 이미 알고 있는 수트 부하의 예측이 부정확하게 된다.
이는 최적하지 않은 시간에 재생이 이루어지는 결과를 초래할 수 있음으로써, 차량이 불필요하게 높은 입자 필터 배압으로 운행하게 되어 연료 소모를 증대시키는 결과를 낳는다. 대안적으로, 최적하지 않은 시간에서의 재생은 재생이 너무 자주 이루어지게 하여, 마찬가지로 더 많은 연료 소비를 초래한다.
본 발명의 목적은 입자 필터의 수트 부하를 예측하기 위한 방법을 제안하는 것이다.
이 목적은 청구항 제1항의 특징부에 따른 전술한 방법에 의해 구현된다. 또한, 이 목적은 청구항 제20항의 특징부에 따른 전술한 시스템에 의해 구현된다. 또한, 이 목적은 전술한 컴퓨터 프로그램 및 전술한 차량에 의해 구현된다.
본 발명은 입자 필터의 수트 부하에 대한 확실하고 신뢰성 있는 예측을 제공함으로써, 사용되는 센서의 정확도와 해상도의 영향과 예측시 입자 필터 내의 응축물의 영향을 최소화한다.
상기 방법은 입자 필터를 가로지르는 차압을 계측하기 위한 적절한 시간을 결정함으로써 수트 부하 예측의 신뢰성을 보장한다. 그리고, 그 시간에 계측된 차압이 필터의 수트 부하를 예측하는데 이용된다. 본 발명에 따라 그 시간을 선택함으로써, 이미 알고 있는 예측을 신뢰할 수 없게 하였던 많은 문제점과 오차의 근원을 회피할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따라 계측 시간이 잘 선택되었다는 것은 그 결과로 얻어진 필터 수트 부하의 예측이 메모리와 계산 용도에 맞게 완전히 효력을 발휘한다는 것을 의미한다.
압력 강하의 계측과 수트 부하의 예측을 개시하기 전에 충분히 긴 시간 동안 입자 필터의 온도를 충분히 높게 보장함으로써, 차량이 운전 상태로 설정되었을 때 필터 내에 있었던 물이 필터에 실질적으로 존재하지 않도록 보장한다. 따라서, 차량이 스위치 오프된 이래 필터에 축적된 응축물로 인해 유발되는 배압이 예측시 수트 부하로부터 발생하는 배압에 추가되는 것이 방지된다.
입자 필터를 가로지르는 압력 강하의 계측과 그에 따른 수트 부하의 예측이 이루어질 때, 배기 가스 체적 유동이 충분히 높게 설정된 역치값을 초과하도록 보장함으로써, 압력 강하 센서의 해상도가 계측된 유동값의 우수한 정확도를 구현하기에 충분하도록 보장할 수 있다. 즉 이와 같이 높은 유동에서는 필터를 가로지르는 압력 강하가 센서의 정확도에 비해 더 커지게 된다. 그 결과, 센서로부터의 신호가 예측에 대해 비교적 적은 영향을 미치는 오차의 대상이 될 뿐이다.
수트 부하를 예측하기 전에, 즉 필터를 가로지르는 압력 강하를 계측하기 전에, 입자 필터의 온도가 배기 가스 내의 물이 응축될 수 있는 온도보다 더 높은 제1 역치값을 초과하도록 보장함으로써, 차량 운행 중 일시적으로 온도가 강하할 경우 발생할 수 있는 것과 같은 물의 재응축과 관련된 문제를 회피할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 예측은 이러한 모든 조건들이 충족될 때만, 즉 배기 가스 체적 유동이 유동 역치값을 초과할 때, 입자 필터에 실질적으로 물이 없을 때, 그리고 온도가 제1 온도 역치값을 초과할 때만 이루어진다. 그 결과, 예측을 실시할 시기를 본 발명에 따라 선택함으로써 가능한 오차의 근원의 대부분을 제거하였기 때문에, 메모리와 계산 용도로 더 효과적이고 더 정확한 수트 부하 예측이 이루어진다.
본 발명의 다른 특징들과 그 장점들을 첨부도면과 예시적 실시예에 대해 후술한 상세한 설명으로 나타내었다.
도 1a는 본 발명이 유리하게 사용될 수 있는 차량의 동력 계통을 도시하고 있다.
도 1b는 차량 제어 시스템의 제어 유닛의 예를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명이 유리하게 사용될 수 있는 차량의 후처리 시스템의 예를 도시하고 있다.
도 3은 2개의 서로 다른 수트 부하에 대해 입자 필터를 통한 체적 유량의 함수로서 차압을 도시하고 있다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다.
도 1a는 본 발명의 실시예의 일 예에 따른 중형 차량(100), 예컨대, 트럭 또는 버스 등을 개략적으로 도시하고 있다. 도 1에 개략적으로 도시된 차량(100)은 한 쌍의 전륜(111, 112)과 한 쌍의 후륜(113, 114)을 포함한다. 차량(100)은, 예컨대, 클러치(106)를 통해, 엔진(101)의 출력 샤프트(102)에 의해 기어박스(103)에 통상의 방식으로 연결된 내연 기관(101)을 구비한 동력 계통을 더 포함한다.
기어박스(103)로부터의 출력 샤프트(107)는 파이널 기어(108)를 통해, 예컨대, 상기 파이널 기어(108)에 연결된 차동 샤프트(104) 및 구동 샤프트(105)를 통해, 구동 륜(113, 114)을 구동시킨다.
차량(100)은 엔진(100)으로부터의 배기 가스 배출물을 처리(정화)하기 위한 후처리 시스템/배기 가스 정화 시스템(200)을 더 포함한다.
도 2에 후처리 시스템이 더 상세하게 도시되어 있다. 이 도면은 연소에 의해 발생된 배기 가스가 터보 유닛(220)을 통해 안내되는 차량(100)의 엔진(101)을 도시하고 있다(터보 엔진에서는 연소에 의해 발생된 배기 가스 유동이 실린더 내에서의 연소를 위해 유입 공기를 압축하기 위해 사용되는 터보 유닛을 구동시킨다). 터보 유닛의 기능은 잘 알려져 있으므로, 여기에서 구체적인 설명은 생략한다. 그 다음, 배기 가스 유동은 (화살표로 도시된) 파이프(204)를 통해 산화 촉매(205)(디젤 산화 촉매, DOC)를 경유하여 입자 필터(202)로 안내된다.
후처리 시스템은 입자 필터(202)(디젤 입자 필터, DPF)의 하류측에 배치된 SCR(선택적 촉매 환원) 촉매(201)를 더 포함한다. SCR 촉매는 소정 량의 질소 산화물(NOx)을 환원시키기 위한 첨가제로서 암모니아(NH3) 또는 암모니아를 발생/형성시킬 수 있는 화합물을 이용한다.
입자 필터(202)는, 본 발명이 SCR 촉매에 의해 일반적으로 환원되는 질소 산화물에 의존하는 소위 수동 재생과 연관되는 경우에는 덜 유리할 수 있지만, SCR 촉매(201)의 하류측에 대안적으로 위치될 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 후처리 시스템은 SCR 촉매를 전혀 포함하지 않는다.
산화 촉매(DOC)(205)는 여러 가지 기능을 가지며, 산화 촉매 내의 귀금속 코팅과 함께 화학 시약으로서 배기 가스 유동 내에 디젤 엔진 공정이 일반적으로 발생시키는 과잉 공기를 이용한다. 일반적으로 촉매는 배기 가스 유동 내에 잔류하는 탄화수소와 일산화탄소를 이산화탄소와 물로 산화시키기 위해 주로 사용된다.
그러나, 산화 촉매는 배기 가스 유동 내에 존재하는 일산화질소(NO)의 대부분을 이산화질소(NO2)로 산화시킬 수도 있다. 그리고, 이 이산화질소는 본 발명에 따른 수동 재생에서 사용된다. 산화 촉매에서 다른 반응들이 이루어질 수도 있다.
도시된 배기 가스 정화 시스템의 실시예에서, DOC(205), DPF(202)와 아울러 SCR 촉매(201)도 조합된 배기 가스 정화 유닛(203) 내에 통합되어 있다. 그러나, DOC(205)와 DPF(202)는 조합된 배기 가스 정화 유닛(203) 내에 통합될 필요가 없으며, 적절한 것으로 밝혀진 몇몇 다른 방식으로 배치될 수도 있다. 예컨대, DOC(205)는 엔진(101) 부근에 배치될 수 있다. 마찬가지로, DOC(205) 및/또는 DPF(202)로부터 SCR 촉매가 분리될 수도 있다.
도 2에서와 같이 구성된 배기 가스 정화 시스템은 일반적으로 중형 차량에 존재하며, 적어도 엄격한 배출물 요건이 적용되는 관할 구역 내에 존재하지만, 산화 촉매의 대안으로서, 산화물 촉매에서 발생하였을 화학 공정이 입자 필터 내에서 대신 발생하도록 입자 필터가 귀금속 코팅을 대신 구비할 수도 있으며, 이에 따라, 배기 가스 정화 시스템은 DOC(205)를 갖지 않는다.
전술한 바와 같이, 엔진(101)에서의 연소는 수트 입자의 형성을 초래한다. 이 수트 입자는 차량의 주변으로 방출될 필요가 없으며, 많은 경우들에서 방출이 허용되지 않는다. 디젤 입자는 탄화수소, 탄소(수트), 및 황과 애쉬(ash) 같은 무기물로 구성되어 있다. 전술한 바와 같이, 이 수트 입자들은 입자 필터(202)에 의해 포획되며, 상기 입자 필터는, 배기 가스 유동이 필터 구조를 통과하도록 함으로써, 상기 필터 구조 내에서 통과하는 배기 가스 유동으로부터 수트 입자들이 포획되어 필터(202) 내에 저장되도록 작용한다. 필터에 의해 상당한 비율의 입자들이 배기 가스 유동으로부터 분리될 수 있다.
따라서, 배기 가스 유동으로부터 이와 같이 분리된 입자들이 필터(202) 내에 축적됨으로써, 시간이 지남에 따라 필터가 수트로 충진되게 한다. 현재 운전 조건, 운전자의 운전 모드 및 차량의 부하와 같은 변수에 따라, 더 많거나 더 적은 양의 수트 입자가 발생할 것이므로, 이러한 충진이 더 빨리 또는 더 느리게 발생할 것이나, 필터가 소정의 충진 수준에 도달하면, "배출(emptying)"이 필요하다. 필터가 너무 높은 수준으로 충진되면, 차량의 성능에 영향을 미칠 수 있으며, 고온과 조합하여 수트 축적으로 인한 화재 위험이 있을 수 있다.
전술한 바와 같이, 입자 필터(202)의 배출은, 수트 입자, 즉 탄소 입자가 화학 공정에서 이산화탄소 및/또는 일산화탄소로 변환되는 재생에 의해 이루어진다. 따라서, 시간이 지나면, 필터(202)는 다소 규칙적인 간격으로 재생되어야 하며, 필터의 재생에 적절한 시간을 결정하는 것은, 예컨대, 필터를 가로지르는 차압을 측정하는 압력 센서(209)로부터의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 적당한 시간 또는 시간들을 결정할 수 있는 제어 유닛(208)에 의해 이루어진다. 필터(202)가 더 충진되면 될수록, 필터를 가로지르는 압력차는 더 커질 것이다.
또한, 재생 타이밍의 결정은 산화 촉매(205) 이전 및/또는 이후, 및/또는 필터(202) 이전 및/또는 이후의 현재 온도들에 의해 영향을 받을 수 있다. 이 온도들은, 예컨대, 온도 센서(210 내지 212)들에 의해 결정될 수 있다.
필터의 충진 수준이 소정의 수준 이하로 유지되는 한, 재생 작용은 통상적으로 발생하지 않는다. 예컨대, 필터 재생에 대한 제어 시스템의 제어는, 필터의 충진 정도가 60 내지 80% 범위 이내의 적당한 수준 이하인 한, 재생 작용이 발생하지 않도록 구성될 수 있다. 임의의 적당한 방식으로, 예컨대, 소정의 압력차가 소정의 충진 정도를 나타내게 되는 경우에, 전술한 차압에 기초하여, 충진의 정도를 예측할 수 있다.
제어 유닛(208)은, 이하에 구체적으로 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수트 부하의 예측을 또한 제어한다.
일반적으로, 현대 차량의 제어 시스템은 일반적으로 많은 전자 제어 유닛(ECU) 또는 컨트롤러와 차량에 배치된 다양한 부품들을 함께 연결하기 위한 하나 이상의 통신 버스들로 구성된 통신 버스 시스템을 포함한다. 이러한 제어 시스템은 많은 수의 제어 유닛들을 포함할 수 있으며, 특수한 기능을 위한 책임이 이들 중 2개 이상에 분할될 수 있다.
명료함을 위해, 도 2는 제어 유닛(208)만을 도시하고 있으나, 본 기술 분야에 속하는 기술자들에게 잘 알려진 바와 같이, 도시된 유형의 차량은 엔진, 제어박스 등의 제어를 위해 비교적 많은 수의 제어 유닛들을 흔히 갖는다.
따라서, 본 발명은 이 제어 유닛(208) 내에서 실시될 수 있으나, 차량에 제공된 하나 이상의 다른 제어 유닛들에서 전체적으로 또는 부분적으로 실시될 수도 있다.
도시된 유형의 제어 유닛들은 일반적으로, 도 2에 도시된 바와 같이, 예컨대, 상기 압력 센서(209)와 온도 센서(210 내지 212)들과 아울러, 예컨대, 엔진 제어 유닛(미도시) 등 차량의 다양한 부분들로부터 센서 신호를 수신하도록 되어 있다. 제어 유닛에 의해 발생되는 제어 신호들은 일반적으로 다른 제어 유닛으로부터의 신호와 부품들로부터의 신호 모두에 따라 좌우된다. 예컨대, 본 발명에 따른 재생에서 제어 신호(208)에 의해 실시되는 제어는, 예컨대, 도 2에 도시된 온도/압력 센서와 엔진 제어 유닛으로부터 수신된 정보에 기초할 수 있다.
또한, 도시된 유형의 제어 유닛은 일반적으로 차량의 다양한 부분들과 부품들로, 예컨대, 본 예에서는 하기된 바와 같이 엔진의 연소 제어를 요구/명령하기 위해 엔진 제어 유닛으로, 제어 신호를 전달하도록 되어 있다.
제어는 흔히 프로그램된 지시에 의해 통제된다. 이러한 지시들은 통상적으로 컴퓨터 프로그램의 형태를 취하며, 컴퓨터 또는 제어 유닛에서 실시될 경우, 컴퓨터/제어 유닛으로 하여금 소정 형태의 제어 작용, 예컨대, 본 발명에 따른 방법 단계들을 실시하도록 한다. 일반적으로, 컴퓨터 프로그램은, 예컨대, 제어 유닛에 연결되거나 그 내부에 있으면서 제어 유닛에 의해 실행되는, ROM(리드-온리 메모리), PROM(프로그램가능한 리드-온리 메모리), EPROM(소거가능한 PROM), 플래시 메모리, EEPROM(전기적으로 소거가능한 PROM), 하드 디스크 유닛 등의 디지털 저장 매체(121)(도 1b 참조)에 저장된 컴퓨터 프로그램 제품(109)의 형태를 취한다. 따라서, 컴퓨터 프로그램의 지시를 변경함으로써, 차량의 거동이 특수한 상황에서 조절될 수 있다.
제어 유닛(제어 유닛(208))의 예가 도 1b에 개략적으로 도시되어 있으며, 제어 유닛(208) 자체가, 예컨대, 디지털 신호 처리용 회로(디지털 신호 프로세서, DSP) 또는 소정의 특수 기능을 구비한 회로(주문형 집적 회로, ASIC) 등의 실질적으로 임의의 적당한 유형의 프로세서 또는 마이크로프로세서의 형태를 취할 수 있는 계산 유닛(120)을 포함할 수 있다. 계산 유닛(120)은, 예컨대, 계산 유닛(120)이 계산을 실시할 수 있기 위해서는 필요한 저장된 프로그램 코드(109) 및/또는 저장된 데이터를 당해 계산 유닛에 제공하는 메모리 유닛(121)에 연결된다. 또한, 계산 유닛(120)은 메모리 유닛(120)에 계산의 부분적 또는 최종적 결과를 저장하도록 구성된다.
제어 유닛(208)은 입출력 신호들을 수신하고 송신하기 위한 개별 디바이스(122, 123, 124, 125)들을 더 구비한다. 이 입출력 신호들은 입력 신호 수신 다바이스(122, 125)들이 정보로서 검출할 수 있고 계산 유닛(120)이 처리할 수 있는 신호들로 변환될 수 있는 파형, 펄스 또는 다른 속성을 포함할 수 있다.
그 후, 이 신호들은 계산 유닛(120)으로 전달된다. 출력 신호 송신 디바이스(123, 124)들은 계산 유닛(120)으로부터 수신한 신호들을, 예컨대, 변조함으로써 순차적으로 변환하여, 차량의 제어 시스템의 다른 부분들 및/또는 신호들이 의도한 부품/부품들로 전달될 수 있는 출력 신호들을 생성하도록 구성된다. 입출력 신호들을 수신하고 송신하는 개별 디바이스들에 대한 각각의 연결은 케이블, 데이터 버스, 예컨대, CAN(계측 제어기 통신망) 버스, MOST(차량 네트워크 시스템) 버스 또는 몇몇 다른 버스 구조 또는 무선 연결 중 하나 이상의 형태를 취할 수 있다.
전술한 바와 같이, 재생은 대체로 두 가지 서로 다른 방식으로 이루어질 수 있다. 한가지 방식은 소위 산소(O2) 기반 재생, 소위 능동 재생이다. 능동 재생에서는 실질적으로 하기의 식 1과 같은 화학적 공정이 발생한다.
C + O2 = CO2 + 열 (식 1)
이에 따라, 능동 재생은 탄소와 산소가 혼합된 가스를 이산화탄소와 열로 변환한다. 그러나, 이러한 화학 반응은 온도에 매우 의존적이며, 허용가능한 반응 속도를 완벽하게 달성하기 위해 비교적 높은 필터 온도가 필요하다. 통상적으로 500℃의 최저 필터 온도가 필요하지만, 바람직한 속도로 재생이 발생하도록 하기 위해서는 더 높은 온도가 바람직하다.
그러나, 능동 재생에 이용가능한 최고 온도는 흔히 연관된 부품들의 공차에 의해 제한된다. 예컨대, 입자 필터(202) 및/또는 임의의 하류측 SCR 촉매는 부품이 받게 되는 최대 온도와 관련된 설계 한계를 흔히 갖는다. 이는 능동 재생이 영향을 받는 부품들로 인하여 수용할 수 없는 낮은 최대 허용 온도의 대상이 될 수 있음을 의미한다. 동시에, 이용가능한 반응 속도를 완벽하게 달성하기 위해서는 매우 높은 최저 온도가 필요하다. 능동 재생에서, 필터(202)에서의 수트 부하는 일반적으로 실질적으로 완벽하게 소멸된다. 필터가 완전히 재생된 후, 필터의 수트 수준은 실질적으로 0%가 될 것이다.
차량에 입자 필터(202)뿐만 아니라 SCR 촉매(201)가 설치되는 일은 이제 점차 일반화되고 있으며, 이 경우 능동 재생은 하류측 SCR 촉매 처리 공정이 과열되는 형태의 문제점을 수반할 수 있다.
적어도 부분적으로는 이러한 이유로 인하여, 본 발명은 전술한 능동 재생 대신 NO2 기반 (수동) 재생을 적용한다. 수동 재생에서는 하기의 식 1과 같은 탄소와 이산화질소 간의 반응으로 질소 산화물과 탄소 산화물이 형성된다.
NO2 + C = NO + CO (식 2)
수동 재생의 장점은 더 낮은 온도에서 소정의 반응 속도와, 그에 따른 필터의 배출 속도가 달성된다는 것이다. 입자 필터의 수동 재생은 일반적으로 200℃ 내지 500℃의 범위 내의 온도에서 발생하며, 통상적으로 이 범위의 상위 온도가 더 바람직하기는 하다. 그럼에도 불구하고, 능동 재생에서보다 실질적으로 더 낮은 이 온도 범위는, 예컨대, SCR 촉매가 있는 경우 더 유리한데, 그 이유는 SCR 촉매에 대한 손상 위험을 유발하는 높은 온도 수준에 도달할 위험을 수반하지 않기 때문이다.
전술한 바와 같이, 차압 센서(209)에 의해 입자 필터(202)에서의 차압이 결정된다. 그리고, 차압은 필터(202) 내의 수트 부하를 예측하기 위해 이용된다. 이미 알려진 해결책들은 차압이 필터를 통한 체적 유동의 함수인 수트 부하 곡선을 추종하는 것으로 상정한다.
이러한 곡선들의 두 가지 예가 도 3에 도시되어 있으며, 도 3은 실질적으로 물이 없는 필터의 다양한 수트 부하들에서 체적 유동의 함수로서 입자 필터를 가로지르는 차압을 나타내고 있다. 하위 곡선(301)은 필터 내의 동일한 기판에서의 차압, 즉 필터에 수트가 없을 때의 차압을 나타내며, 0g/ｌ의 수트를 의미한다. 상위 곡선(302)은 필터가 저장된 수트를 포함할 때 필터를 가로지르는 차압을 나타낸다. 이 예에서, 필터는 5g/ｌ의 수트를 포함한다.
도 3의 것들과 같은 곡선들은 입자 필터에서의 수트 부하를 결정하는데 있어서 이미 반영되었지만, 여러 가지 이유들로 인하여, 차압, 수트 부하 및 체적 유동의 관계에 대한 이러한 근사법은 수트 부하에 대해 신뢰할 수 있는 값들을 도출해내지 않는다.
근사법과 관련된 하나의 문제점은 센서의 사용이 고유의 부정확성과 개별적인 산포를 수반함으로써, 그 시점에 개별 곡선에서 시스템이 어디에 위치하는지를 정확하게 계측하기 어렵게 만든다는 것이다. 물론, 이는 개별 곡선에 기초하여 입자 필터(202) 내의 수트 부하를 정확하게 결정하는데 있어서 어려움을 초래한다.
또한, 배기 가스 정화 시스템이 비활성이며 저온일 때, 필터의 다공성 구조 내에 응축물이 축적된다. 필터 내의 응축물은, 응축물이 필터 내에 배압을 또한 초래하기 때문에, 이미 수트 부하를 부정확하게 예측하게 하는 원인이 되었다.
이러한 근사법의 다른 문제점은, 배기 가스의 온도가 일시적으로 강하하면, 차량의 운전 중에 배기 가스로부터 얼마나 많은 물이 재응축되는지를 예측하기가 복잡할 수 있다는 것이며, 이는 이미 알고 있는 수트 부하 예측에서 오차의 원인이 된다.
본 발명에 따르면, 입자 필터(202)에서의 압력 강하를 계측하기에 적절한 시간을 결정하고, 필터의 수트 부하를 예측하기 위해 그 특정 시간에서의 압력 강하를 이용함으로써, 위에서 지적한 문제점들이 해소된다. 본 발명에 따르면, 계측과 그에 따른 예측은 배기 가스 체적 유동이 역치값을 초과할 때, 입자 필터에 실질적으로 물이 없을 때, 그리고 필터의 온도가 제1 역치값을 초과할 때 이루어진다. 따라서, 예측은 이러한 모든 조건들이 충족될 때만 이루어진다.
본 발명에 따른 배기 가스 체적 유동이 역치값을 초과할 때, 예측시의 차압은 차압 센서(209)의 정확도에 비해 커지게 될 것이며, 그 결과 계측이 더 정확하게 된다. 이미 알려진 해결책들에서와 같이, 배기 가스 유동이 역치값을 초과할 것이라는 보장이 없으면, 차압은 센서의 정확도에 비해 커지지 않을 수 있으며, 잘못된 수트 부하 예측을 잠재적으로 초래하게 된다. 따라서, 이미 알려진 해결책들에 따르면, 예측시 차압이 작을 수 있으며, 이에 따라 센서의 정확도가 실질적인 오차의 근원이 될 수 있다.
본 발명에 따르면, 계측과 그에 따른 예측이 입자 필터(202)에 응축물이 없을 때 이루어지기 때문에, 차량이 시동되었을 때 필터에 있었던 응축물로 인해 유발되는 배압에 의해 영향을 받지 않고 더 정확한 수트 부하값이 도출된다.
본 발명에 따르면, 계측과 그에 따른 예측이 필터의 온도가 제1 역치값을 초과할 때 이루어지기 때문에, 차량 운전시 온도가 일시적으로 강하할 때 필터의 기공에서의 물의 재응축으로 인한 영향이 저감된다. 그 결과, 주어진 배기 가스 체적 유동과 유동 저항에서 보다 정확한 차압값이 도출된다.
요컨대, 본 발명을 적용함으로써, 수트 부하 예측이, 센서의 정확도, 시동시 입자 필터에 가변적인 양으로 존재하는 응축물, 또는 배기 가스 내의 물이 필터에서 재응축될 수 있는 수준 이하로 배기 가스의 온도가 일시적으로 강하함으로 인하여 발생하는 차량 운전시 물의 응축에 의해, 실질적으로 악영향을 받지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 배기 가스 정화 시스템(200)을 통한 배기 가스 질량 유동, 입자 필터(200)로부터 상류측의 압력 및 필터의 온도에 기초하여, 배기 가스 체적 유동의 크기가 결정된다.
배기 가스 질량 유동을 계산하기 위한 다양한 방법들이 있다. 예컨대, 배기 가스 질량 유동은 엔진(101)의 입구에 배치되어 제어 유닛(208)에 연결된 질량 유동 센서(214)로부터의 신호에 기초하여 계산될 수 있다. 또한, 예컨대, 배기 가스 질량 유동은 엔진의 입구 덮개(cowl)에서의 압력과 온도에 기초하여 계산될 수도 있으며, EGR(배기 가스 재순환) 밸브의 임의의 사용을 위해 보상된다.
입자 필터(200)로부터 상류측의 압력은 대기압과 비교하여 압력 센서(213)로부터의 압력 신호에 의해 결정될 수 있으며, 상기 센서는 입자 필터(200)로부터 상류측에 배치되어 제어 유닛(208)에 연결될 것이다. 입자 필터의 온도는 상기 필터를 위한 적어도 하나의 온도 센서(211, 212)로부터의 온도 신호에 기초하여 예측될 수 있으며, 이 센서들은 필터에 인접하여 필터로부터 상류측(211) 또는 하류측(212)에 위치될 수 있다.
수트 부하를 예측하기 전에 본 발명에 따라 초과되어야 하는 유동 역치값은 상기 압력 센서의 정확도를 보장하기 위해 충분히 높은 값으로 설정될 필요가 있으며, 이는 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이 센서들마다 다르다. 통상적으로, 이 유동 역치값은 초당 200 내지 300 리터 범위 내의 유동에 해당할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이 유동 역치값은 초당 약 250 리터의 유동에 해당한다. 이는 압력 센서를 이용하여 신뢰할 수 있는 출력 신호를 발생시키는 것을 보장할 수 있다.
전술한 바와 같이, 응축물은 입자 필터(202)에 자주 축적되며, 수트 부하와 구별할 수 없는 배압을 잠재적으로 초래하므로, 수트 부하의 잘못된 예측을 낳는다.
본 발명에 따르면, 입자 필터(202)는, 입자 필터로부터 물을 제거할 수 있을 정도로 충분히 높은 소정 역치값 이상의 온도로 충분히 긴 시간 동안 유지된다면, 실질적으로 물이 없는 것으로 간주된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 입자 필터(202) 내의 물 함량은 물의 특성을 고려한 모델에 의해 결정되며, 상기 모델은 입자 필터가 제2 역치값 이상의 온도로 적어도 소정의 시간 동안 있었다면 실질적으로 물이 없는 것으로서 간주한다. 입자 필터의 낮은 온도에서, 예컨대, 차량이 공회전하고 있을 때, 물은 여전히 필터 내에 응축될 수 있다. 따라서, 이 제2 역치값은 입자 필터의 기공 밖으로 물이 증발하는 온도를 유리하게 초과한다.
따라서, 제2 온도 역치값은 150 내지 250℃ 범위 내에 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 역치값은 약 200℃이다. 이는, 입자 필터가 이 범위 내의 온도를 유지하면, 존재하는 모든 물이 입자 필터로부터 제거될 것임을 의미한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 모델에 따라 필터가 150 내지 250℃ 범위 이내로 온도를 유지하여야 하는 소정 시간은 8 내지 12분이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이 소정 시간은 약 10분이다.
따라서, 입자 필터로부터 물을 제거할 수 있을 정도로 충분히 높은 온도를 충분히 긴 시간 동안 유지함으로써, 본 발명은 필터(202)에 실질적으로 물이 없게될 것임을 보장할 수 있다. 그 결과, 실질적으로 응축물로 인한 배압이 수트 부하로 인한 배압에 추가되지 않기 때문에, 수트 부하의 더 정확한 예측이 이루어진다.
전술한 바와 같이, 응축물은 입자 필터(202)에서의 배압을 증대시킨다. 일단 필터가 워밍 업되면, 예컨대, 배기 가스의 온도가 일시적으로 강하하면 발생할 수도 있는 물의 응축이 다시 발생하였을지도 모르는 때에는 수트 부하의 예측을 피하는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명에 따르면, 필터가 제1 온도 역치에 도달한 후에만 압력 강하의 계측과 수트 부하의 예측이 이루어지며, 제1 온도 역치는 필터에서 배기 가스로부터 물이 응축될 수 있는 온도보다 더 높다. 이 제1 역치값은 140 내지 200℃일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에따르면, 이 제1 역치값은 약 170℃이다. 이러한 고온에 도달했을 때만 예측함으로써, 필터 기공에 물의 축적으로 인한 잘못된 수트 부하 예측을 피할 수 있도록 한다.
전술한 바와 같이, 수트 부하의 예측은 배기 가스 질량 유동 신호, 대기압에 대한 압력 센서(213)로부터의 압력 신호, 및 입자 필터(202)를 위한 온도 센서(211, 212)로부터의 온도 신호에 기초하여 결정된 배기 가스 질량 유동의 이용을 포함한다. 배기 가스 유동과 온도는 서로 다른 시간 지연을 가지며, 이는 대응하는 신호들이 서로 다른 상호 시간 지연을 갖는다는 것을 의미한다. 또한, 이 신호들은 압력 센서(213)로부터의 신호에 대해서도 시간 지연을 갖는다. 이러한 시간 지연들로 인하여, 수트 부하 예측용 신호가 매우 산재되고(straggly) 들쭉날쭉하며(jerky) 해석하기 어렵게 된다. 신호가, 그 들쭉날쭉한 형태 때문에, 매우 간단히, 해석하기 어렵게 되며, 잘못 해석될 위험이 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수트 부하의 예측에 대응하는 신호가 필터링된다. 바람직하게, 이러한 필터링은 신호의 산재를 제거하는 저역 통과 필터에 의해 이루어진다. 따라서, 필터링 후 이 신호의 형태는 신호를 더 쉽게 이해하고 해석할 수 있도록 만든다.
도 4는 본 발명에 따른 방법의 흐름도이다. 방법이 개시된 후 제1 단계(401)에서, 바람직하게는 응축물에 대해 전술한 모델을 이용하여, 차량이 시동될 때 입자 필터 내에 있었을지도 모르는 물이 입자 필터에 실질적으로 없는지의 여부를 확인한다. 필터에 실질적으로 물이 없는 것으로 확인되면, 방법은 제2 단계(402)로 진행된다. 필터에 물이 있으면, 방법은 처음부터 다시 시작된다.
제2 단계(402)에서는 배기 가스 질량 유동이 유동 역치값을 초과하는지의 여부를 확인하며, 초과하는 경우에는 방법은 제3 단계(403)로 진행된다. 배기 가스 질량 유동이 역치값을 초과하지 않으면, 방법은 다시 시작된다.
제3 단계(403)에서는 입자 필터가 제1 온도 역치 이상인지의 여부를 확인한다. 온도가 이 역치보다 더 높으면, 방법은 제4 단계(404)로 진행된다. 온도가 역치보다 더 낮으면, 방법은 처음부터 다시 시작된다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 상기 방법에 따른 처음 세 단계(401, 402, 403)들은 실질적으로 임의의 소정 순서로 실행될 수 있다. 처음부터 다시 방법을 시작하기 전에, 주어진 단계에서 충족되지 않은 임의의 조건을 다수 회 더 확인하도록, 상기 방법을 실시할 수도 있다.
상기 방법에 따라 본질적인 것은, 제4 단계(404)에 도달하기 전에, 배기 가스 질량 유동이 그 역치값를 초과하여야 하고, 입자 필터에 실질적으로 물이 없으며, 입자 필터가 그 역치값 이상의 온도여야 한다는 것이다.
상기 방법의 제4 단계(404)에서는 수트 부하를 예측한다. 즉 압력 강하를 계측하여 수트 부하를 예측한다. 제4 단계(404)가 이루어질 수 있기 전에, 제1, 제2 및 제3 단계(401, 402, 403)들에서의 모든 조건들이 충족된다는 사실은 확실하고 신뢰성 있는 수트 부하의 예측을 보장한다.
상기 방법의 제5 단계(405)에서는 수트 부하 예측에 대한 선행 특정값을 갱신한다. 이에 따라, 현재 수트 부하에 대한 새로운 특정값이 오래된 저장값 위에 기록될 수 있다.
또한, 본 발명은 입자 필터(202) 내의 수트 부하를 예측하도록 된 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 시스템은 배기 가스 질량 유동이 유동 역치값을 초과하는지의 여부를 결정하도록 된 유동 수단을 포함한다. 상기 시스템은 입자 필터에 물이 존재하는지의 여부를 결정하도록 된 물 존재 결정 수단과, 입자 필터(202)의 온도를 예측하도록 된 온도 수단을 또한 포함한다. 상기 시스템은, 배기 가스 질량 유동이 유동 역치값을 초과할 때, 필터에 실질적으로 물이 없을 때, 및 필터의 온도가 제1 역치값을 초과할 때, 입자 필터(202)의 수트 부하를 예측하도록 된 예측 수단을 또한 포함한다.
상기 시스템은 본 발명에 따른 방법의 전술한 다양한 실시예들을 실시하기 위한 수단을 포함하도록 더 구성된다.
본 발명은, 입자 필터(202)와 본 발명에 따른 방법에 의해 필터 내의 수트 부하를 예측하도록 된 본 발명에 따른 시스템을 포함하는 도 1a에 따른 차량과도 관련된다.
본 발명은 차량과 관련하여 위에 예시되었다. 그럼에도 불구하고, 본 발명은 전술한 바와 같은 배기 가스 정화 시스템이 적용될 수 있는 임의의 운송 수단, 예컨대, 전술한 바와 같은 연소 공정/재생 공정을 구비한 선박 및/또는 항공기에도 적용가능하다.

Claims (21)

  1. 배기 가스 세정 시스템(200)의 입자 필터(202) 내의 수트 부하를 예측하기 위한 방법으로서, 상기 수트 부하를 결정하기 위해 상기 입자 필터(202)에서의 압력 강하를 이용하는 수트 부하 예측 방법에 있어서,
    - 상기 배기 가스 세정 시스템(200)의 배기 가스 체적 유동이 유동 역치값을 초과할 때와,
    - 상기 입자 필터(202)로부터 물을 제거할 수 있을 정도로 충분히 높은 제2 온도 역치값 이상의 온도로 상기 입자 필터(202)가 충분히 긴 시간 동안 유지됨으로써, 상기 필터에 실질적으로 물이 없을 때와,
    - 상기 입자 필터(202)의 온도가 상기 배기 가스 정화 시스템(200)에서 배기 가스 내의 물이 응축될 수 있는 온도보다 더 높은 제1 역치값을 초과할 때의 특정 시기에,
    상기 수트 부하 예측이 상기 압력 강하의 계측에 기초하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기 가스 질량 유동의 크기는 상기 배기 가스 정화 시스템의 배기 가스 질량 유동, 상기 입자 필터(200)로부터 상류측의 압력 및 상기 입자 필터(202)의 온도에 기초하여 결정되는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    - 상기 압력은 상기 입자 필터로부터 상류측에 배치된 압력 센서(213)에 의해 결정되고,
    - 상기 유동 역치값은 상기 압력 센서(213)의 정확도를 보장할 수 있을 정도로 충분히 높은 값으로 설정되는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 유동 역치값은 초당 200 내지 300 리터의 유동에 해당하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 유동 역치값은 초당 250 리터에 해당하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 입자 필터(202) 내의 물 함량은 모델에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 모델에 따라, 상기 입자 필터가 상기 제2 역치값 이상의 온도로 적어도 소정의 시간 동안 있었다면, 상기 입자 필터(202)는 실질적으로 물이 없는 것으로 간주되는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 역치값은 상기 입자 필터(202)의 기공 밖으로 물이 증발하는 온도를 초과하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제2 역치값은 150 내지 250℃ 범위 내의 온도에 해당하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 역치값은 200℃에 해당하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 소정의 시간은 8분 내지 12분의 기간에 해당하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 소정의 시간은 10분에 해당하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  13. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 온도 역치값은 상기 배기 가스의 온도에 따라 좌우되는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1 역치값은 140 내지 200℃의 온도에 해당하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 역치값은 170℃에 해당하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  16. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예측의 값이 상기 시간에 결정되었을 때, 상기 예측에 대해 결정되었던 선행 값이 갱신되는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  17. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 예측에 대응하는 신호가 필터링되는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 방법.
  18. 삭제
  19. 컴퓨터 프로그램과 컴퓨터-판독가능한 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은 프로그램 코드를 포함하며, 상기 프로그램 코드가 컴퓨터에서 실행될 때에 컴퓨터로 하여금 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 방법을 적용하도록 하는 것이며,
    상기 컴퓨터 프로그램은, ROM(리드-온리 메모리), PROM(프로그램가능한 ROM), EPROM(소거가능한 PROM), 플래시 메모리, EEPROM(전기적으로 소거가능한 PROM) 및 하드 디스크 유닛 중 임의의 형태를 취한 상기 컴퓨터-판독가능한 매체 내에 수용되는 것을 특징으로 하는 컴퓨터 프로그램 제품.
  20. 배기 가스 세정 시스템(200)의 입자 필터(202) 내의 수트 부하를 예측하도록 된 시스템으로서, 상기 수트 부하를 결정하기 위해 상기 입자 필터(202)에서의 압력 강하를 이용하는 수트 부하 예측 시스템에 있어서,
    - 상기 배기 가스 세정 시스템(200)의 배기 가스 체적 유동이 유동 역치값을 초과하는지의 여부를 결정하도록 된 유동 수단과,
    - 상기 입자 필터(202)로부터 물을 제거할 수 있을 정도로 충분히 높은 제2 온도 역치값 이상의 온도로 상기 입자 필터(202)가 충분히 긴 시간 동안 유지되면, 상기 입자 필터에 실질적으로 물이 없는 것으로 결정하도록 된 물 존재 결정 수단,
    - 상기 입자 필터(202)의 온도를 예측하도록 된 온도 수단과,
    - 상기 배기 가스 질량 유동이 유동 역치값을 초과할 때, 상기 필터(202)에 실질적으로 물이 없을 때, 및 상기 입자 필터(202)의 상기 온도가 상기 배기 가스 정화 시스템(200)에서 배기 가스 내의 물이 응축될 수 있는 온도보다 더 높은 제1 역치값을 초과할 때의 특정 시기에 상기 압력 강하의 계측에 기초하여 상기 예측을 실시하도록 된 예측 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 수트 부하 예측 시스템.
  21. 차량(100)에 있어서,
    - 입자 필터(202)와,
    - 제20항에 따른, 상기 입자 필터(202) 내의 수트 부하를 예측하기 위한 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량.
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