KR101592678B1 - 하이브리드 차량용 ｄｐｆ 재생 제어 방법 - Google Patents

Abstract

디젤 엔진과 전기 모터를 사용하는 하이브리드 차량용 DPF 재생 (디젤입자필터 재생: Diesel Particulate Filter regeneration) 제어 방법이 개시된다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어 방법은, (a) 상기 DPF에 포집된 입자상 물질들(PM: particulate matters) 중 일부를 연소시키는 선-재생 단계; 및 (b) 상기 DPF에 포집된 입자상 물질들 중 나머지 부분을 연소시키는 후-재생 단계;를 포함하며, 상기 선-재생 단계는 상기 디젤 엔진의 배기 가스 온도가 기 설정된 기준 온도 이상으로 나타나는 제1 운전 조건으로 상기 디젤 엔진의 운전 조건이 설정되도록 상기 디젤 엔진과 상기 전기 모터에 동력을 배분하면서 수행된다.

Description

하이브리드 차량용 ＤＰＦ 재생 제어 방법{Method controlling diesel particulate filter regeneration for hybrid vehicle}

본 발명은 하이브리드 차량용 DPF 재생 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, 재생 과정 초기에 DPF의 온도가 한계 온도 이상으로 증가하여 DPF가 파손되는 문제점 및 반복적인 저 부하 운전으로 인해 DPF 재생이 원활히 수행되지 못하는 문제점을 해결할 수 있도록 운전 조건이 서로 다른 선-재생 단계와 후-재생 단계로 나누어 DPF 재생을 수행하는 하이브리드 차량용 DPF 재생 제어 방법에 관한 것이다.

디젤 엔진의 배기 가스 성분들 중에서 입자상 물질들(PM: particulate matters)을 필터링하기 위해 디젤 입자 필터(DPF: Diesel Particulate Filter)가 흔히 사용된다.

이러한 DPF에 축적된 PM량이 과도할 경우 엔진의 출력 저하 내지 DPF의 성능 저하 등이 발생될 수 있는데, 이를 방지하기 위해 DPF에 축적된 PM을 연소시켜 없애기 위한 DPF 재생(regeneration)이 적용될 수 있다. DPF 재생은 엔진으로부터 발생되는 배기 가스의 온도를 승온시킴으로써 수행되며, 이를 위해 예를 들어 엔진의 각 실린더에 DPF 재생을 위한 연료를 후분사함으로써 배기 가스를 승온시키는 기술이 적용될 수 있다.

이러한 DPF 재생 초기에 차량이 아이들(idle) 상태와 같은 저속/저부하 상태로 진입하는 경우, DPF를 투과하는 배기 가스 유량이 감소됨에 따라 DPF에서 발생하는 연소열이 외부로 적절히 방출되지 못하여 DPF 내부 온도가 한계 온도 이상으로 승온됨으로써 DPF가 파손되는 문제점이 발생될 수 있다.

그리고 DPF 재생 도중 저속/저부하 상태에서의 운전이 잦은 경우, 배기 가스가 PM을 연소시키기에 충분한 온도까지 승온되지 못하여 재생 효율이 감소되고 그에 따라 DPF 재생 시간이 길어지거나 DPF 재생이 완전하게 수행되지 못하는 문제점이 발생될 수 있다.

본 발명은 전술한 문제점들을 해소하기 위해 안출된 것으로서, DPF 재생 초기에 DPF 내부 온도의 과도 상승으로 인해 DPF가 파손되는 문제점 및 DPF 재생 도중 잦은 저속/저부하 운전 시 재생 효율이 저하되는 문제점을 해결할 수 있는, 디젤 엔진과 전기 모터를 사용하는 하이브리드 차량용 DPF 재생 제어 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 디젤 엔진과 전기 모터를 사용하는 하이브리드 차량용 DPF 재생 (디젤입자필터 재생: Diesel Particulate Filter regeneration) 제어 방법으로서, (a) 상기 DPF에 포집된 입자상 물질들(PM: particulate matters) 중 일부를 연소시키는 선-재생 단계; 및 (b) 상기 DPF에 포집된 입자상 물질들 중 나머지 부분을 연소시키는 후-재생 단계;를 포함하며, 상기 선-재생 단계는 상기 디젤 엔진의 배기 가스 온도가 기 설정된 기준 온도 이상으로 나타나는 제1 운전 조건으로 상기 디젤 엔진의 운전 조건이 설정되도록 상기 디젤 엔진과 상기 전기 모터에 동력을 배분하면서 수행되는, DPF 재생 제어 방법을 제공한다.

상기 후-재생 단계는, (b1) 상기 배기 가스 온도가 상기 기준 온도보다 작게 나타나는 제2 운전 조건으로 상기 디젤 엔진의 운전 조건이 설정되도록 상기 디젤 엔진과 상기 전기 모터에 동력을 배분하면서 수행되는 제1 후-재생 단계; 및 (b2) 상기 제1 운전 조건으로 상기 디젤 엔진의 운전 조건이 설정되도록 상기 디젤 엔진과 상기 전기 모터에 동력을 배분하면서 수행되는 제2 후-재생 단계;를 포함할 수 있으며, 상기 후-재생 단계에서 상기 제1 후-재생 단계와 상기 제2 후-재생 단계는 적어도 1회 반복 수행될 수 있다.

상기 선-재생 단계는 상기 DPF에 축적된 입자상 물질들의 양이 기 설정된 재생 개시 기준값을 초과한 경우 개시되는 것일 수 있다.

상기 후-재생 단계는 상기 DPF에 축적된 입자상 물질들의 양이 기 설정된 재생 종료 기준값 이하인 경우 종료되는 것일 수 있다.

상기 운전 조건은 상기 디젤 엔진이 나타내는 부하 및 속도로 특정될 수 있다.

상기 기준 온도는 620 ~ 640 ℃의 온도 범위에서 선택될 수 있다.

본 발명에 따른 DPF 재생 제어 방법에 의하면, DPF 재생 초기에 전술한 제1 운전 조건에서의 선-재생 단계를 수행함으로써 PF 재생 초기에 DPF의 내부 온도가 한계 온도 이상으로 증가하여 DPF가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 이처럼 DPF의 파손 우려가 해소되므로, DPF의 단위 부피당 허용되는 PM 축적량이 증가될 수 있고 따라서 DPF의 축소 설계로 인한 재료비 절감을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 DPF 재생 제어 방법에 의하면, 후-재생 단계를 전술한 제2 운전 조건에서의 재생과 전술한 제1 운전 조건에서의 재생을 번갈아 수행하는 방식으로 진행함으로써, 저속/저부하 운전으로 인해 DPF 재생 효율이 저하되는 문제점을 해소함은 물론, PM 산화 반응 촉진에 의해 DPF 재생 효율이 보다 향상되어 DPF 재생 시간을 크게 단축할 수 있는 이점이 있다. 이처럼 DPF 재생 효율이 증대됨에 따라, DPF 재생 운전에 기인하는 연비 저하를 최소화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 DPF 재생 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 2는 디젤 엔진을 사용하는 차량의 운전 궤도의 일 예를 나타낸 그래프이다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 DPF 재생 방법에 대해 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 차량용 DPF 재생 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 1에 도시된 하이브리드 차량용 DPF 재생 방법은 동력 생산을 위해 디젤 엔진과 전기 모터를 함께 사용하는 하이브리드 차량에 적용된다. 이러한 하이브리드 차량의 경우 디젤 엔진과 전기 모터에 할당되는 동력 배분 비율을 필요에 따라 적절히 제어 가능하다.

도 1에 도시된 S10 단계는 디젤 입자 필터(DPF: Diesel Particulate Filter)가 재생되는 과정 없이 통상적인 방식으로 디젤 엔진과 전기 모터의 구동이 제어되는 비재생(nonregeneration) 운전 단계를 가리킨다. 다시 말해서 S10 단계는 노멀(normal) 운전 단계이다.

S20 단계에서는 배기관에 연결된 DPF에 포집된 입자상 물질들(PM: particulate matters)의 양을 모니터링하여 산출된 값을 기 설정된 재생 개시 기준값과 비교한다. 여기서 재생 개시 기준값은 엔진의 출력 저하 내지 DPF의 성능 저하를 발생시킬 수 있는 PM 포집량의 임계값으로 설정될 수 있다.

상기 비교 결과, 산출된 PM 포집량이 재생 개시 기준값보다 작은 경우에는 전술한 이전 단계(S10 단계)로 복귀한다. 반대로 산출된 PM 포집량이 재생 개시 기준값보다 큰 경우에는 후속 단계(S30)를 진행한다.

S30 단계는 디젤 엔진의 운전 조건을 '제1 운전 조건' 으로 설정하면서 DPF에 포집된 PM 중 일부를 연소시키는 선-재생 단계이다.

여기서 '제1 운전 조건' 은 디젤 엔진의 배기 가스 온도가 기 설정된 기준 온도 이상으로 나타나는 운전 조건을 가리킨다. 이러한 운전 조건에 대해 도 2를 참조하여 보충 설명한다. 도 2는 디젤 엔진을 사용하는 차량의 운전 궤도의 일 예를 나타낸 그래프로서, 이 그래프에서 가로축은 디젤 엔진의 스피드(S)(단위: rpm)를 나타내고 세로축은 디젤 엔진의 부하(T)(단위: Nm)를 가리킨다.

도 2의 그래프에서 초록색 배경색이 짙은 영역은 디젤 엔진의 배기 가스 온도가 상대적으로 높게 나타나는 영역이고 초록색 배경색이 옅은 영역은 디젤 엔진의 배기 가스 온도가 상대적으로 낮게 나타나는 영역이다. 도 2를 살펴보면, 대략적으로 엔진 스피드와 엔진 부하가 높을수록 배기 가스 온도도 증가함을 이해할 수 있다.

배기 가스를 승온시키는 방식으로 DPF의 재생을 원활히 수행하기 위해서는 DPF 전단에서 측정되는 배기 가스 온도가 특정한 기준 온도 이상이 되어야 한다. 예로써, 그 기준 온도는 620 ~ 640 ℃의 온도 범위에서 결정될 수 있다. 도 2에서 빨간색 직사각형으로 표시된 영역은 배기 가스 온도가 그러한 기준 온도 이상으로 나타나는 영역(고온 지역)이고, 파란색 직사각형으로 표시된 영역은 배기 가스 온도가 그러한 기준 온도보다 작게 나타나는 영역(저온 지역)이다.

S30 단계(선-재생 단계)에 적용되는 제1 운전 조건은 도 2에서 고온 지역에 속하는 다수의 운전 포인트들 중 하나에 대응되는 운전 조건일 수 있다. 예로써 제1 운전 조건은 도 2의 고온 지역에 속하는 운전 포인트 P1(S1, T1)에 대응되는 운전 조건으로 설정될 수 있다. 대안적으로 제1 운전 조건은 전술한 고온 지역에 속하는 다른 운전 포인트에 대응되는 운전 조건으로 설정될 수도 있다.

본 실시예에 따른 DPF 재생 방법에 의하면 S30 단계(선-재생 단계)에서 디젤 엔진의 운전 조건이 상술한 바와 같이 특정된 제1 운전 조건으로 설정되도록 디젤 엔진과 전기 모터에 동력이 적절히 배분된다.

S30 단계(선-재생 단계)에서는 고온 지역에 속하는 제1 운전 조건으로 디젤 엔진이 운전되므로 DPF 전단에서의 배기 가스 온도가 기준 온도(예로써 620 ~ 640 ℃) 이상으로 나타난다. 따라서 S30 단계(선-재생 단계)가 수행되는 도중 디젤 엔진이 저속/저부하 상태로 운전되는 것이 차단된다.

앞서 설명한 바와 같이, DPF 재생 초기에 디젤 엔진이 저속/저부하 상태로 진입할 경우 DPF를 통과하는 배기 가스 유량이 감소됨에 따라 DPF에서 발생하는 연소열이 외부로 적절히 방출되지 못하여 DPF 내부 온도가 한계 온도 이상으로 승온됨으로써 DPF가 파손되는 문제점이 발생될 수 있다.

하지만, 본 실시예에 따른 DPF 재생 제어 방법에 의하면, DPF 재생 초기에 상술한 제1 운전 조건에서의 선-재생 단계가 수행됨으로써 DPF 재생 초기에 디젤 엔진이 저속/저부하 상태로 진입하는 것이 차단되며, 이에 따라 DPF 재생 초기에 DPF의 내부 온도가 한계 온도 이상으로 증가하여 DPF가 파손되는 문제점이 해소될 수 있다.

다음으로 S40 단계에서는 DPF에 남아 있는 PM의 양을 모니터링하여 산출된 값을 기 설정된 기준값과 비교한다. 예로서, 상기 기준값은 초기 축적량의 1/3이 되는 값으로 설정될 수 있다. 상기 비교 결과, 잔여 PM량이 상기 기준값보다 더 큰 경우 전술한 S30 단계(선-재생 단계)로 복귀한다. 한편 잔여 PM량이 상기 기준값보다 작은 경우 후속 단계(S50 단계)를 진행한다.

S50 단계는 DPF에 포집된 입자상 물질들 중 나머지 부분을 연소시키는 후-재생 단계이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 예로써 S50 단계(후-재생 단계)는, 디젤 엔진의 운전 조건이 '제2 운전 조건' 으로 설정되도록 디젤 엔진과 전기 모터에 동력을 배분하면서 DPF 재생을 수행하는 제1 후-재생 단계(S51), 및 디젤 엔진의 운전 조건이 '제1 운전 조건' 으로 설정되도록 디젤 엔진과 전기 모터에 동력을 배분하면서 DPF 재생을 수행하는 제2 후-재생 단계(S52)를 포함할 수 있다.

제1 후-재생 단계(S51)에 적용되는 '제2 운전 조건' 은 디젤 엔진의 배기 가스 온도가 기 설정된 기준 온도보다 작게 나타나는 운전 조건을 가리킨다. 이러한 제2 운전 조건에서는 배기 가스가 PDF 재생에 충분한 기준 온도(예로써, 620 ~ 640 ℃) 이상으로 승온되지 않는다. 전술한 도 2를 다시 참조하면, 예로써 제2 운전 조건은 파란색 직사각형으로 표시된 전술한 저온 지역 내의 하나의 운전 포인트 P2(S2, T2)에 대응되는 운전 조건으로 설정될 수 있다.

이처럼 본 실시예에 따른 DPF 재생 제어 방법에 의하면 후-재생 단계(S50)에서 제2 운전 조건에서의 제1 후-재생 단계(S51)와 제1 운전 조건에서의 제2 후-재생 단계(S52)가 적어도 1회 이상 수행된다. 따라서, 후-재생 단계(S50)에서 디젤 엔진이 주로 저속/저부하 조건에서 운전되는 것이 방지될 수 있으며, 그러므로 잦은 저속/저부하 운전으로 인해 DPF 재생 효율이 저하되는 문제점을 해소할 수 있다.

여기서 제1 후-재생 단계(S51)에서는 제2 운전 조건으로 디젤 엔진이 운전되므로 배기 가스 온도가 전술한 기준 온도 이하로 나타나지만, 다른 한편으로는 DPF로 유입되는 산소의 농도가 증가되므로 PM의 산화 반응이 촉진될 수 있다. 따라서, 제1 운전 조건에서의 제2 후-재생 단계(S52)와 함께 제2 운전 조건에서의 제1 후-재생 단계(S51)를 포함하는 후-재생 단계(S50)에 의하면, 제2 운전 조건에서의 제1 후-재생 단계(S51)에 의해 PM의 산화 반응이 촉진되어 DPF 재생 효율이 보다 증대될 수 있다. 결과적으로, 이러한 후-재생 단계(S50)에 의해 DPF 재생 효율이 극대화됨으로써 DPF 재생에 소요되는 시간을 최소화할 수 있는 이점을 얻게 된다.

마지막으로, S60 단계에서는 DPF에 남아 있는 PM의 양을 모니터링하여 산출된 값을 기 설정된 재생 종료 기준값과 비교한다. 예로써, 재생 완료 기준값은 0(zero)으로 설정될 수 있다. 그 비교 결과, 산출된 잔여 PM량이 재생 종료 기준값 이상인 경우 전술한 후-재생 단계(S50) 단계로 복귀하며, 산출된 잔여 PM량이 재생 종료 기준값 이하인 경우 전술한 비재생 운전 단계(S10)로 진행한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 DPF 재생 제어 방법에 의하면, DPF 재생 초기에 전술한 제1 운전 조건에서의 선-재생 단계를 수행함으로써 PF 재생 초기에 DPF의 내부 온도가 한계 온도 이상으로 증가하여 DPF가 파손되는 것을 방지할 수 있다. 이처럼 DPF의 파손 우려가 해소되므로, DPF의 단위 부피당 허용되는 PM 축적량이 증가될 수 있고 따라서 DPF의 축소 설계로 인한 재료비 절감을 도모할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 DPF 재생 제어 방법에 의하면, 후-재생 단계를 전술한 제2 운전 조건에서의 재생과 전술한 제1 운전 조건에서의 재생을 번갈아 수행하는 방식으로 진행함으로써, 저속/저부하 운전으로 인해 DPF 재생 효율이 저하되는 문제점을 해소함은 물론, PM 산화 반응 촉진에 의해 DPF 재생 효율이 보다 향상되어 DPF 재생 시간을 크게 단축할 수 있는 이점이 있다. 이처럼 DPF 재생 효율이 증대됨에 따라, DPF 재생 운전에 기인하는 연비 저하를 최소화할 수 있다.

Claims (6)

1. 디젤 엔진과 전기 모터를 사용하는 하이브리드 차량용 DPF 재생 (디젤입자필터 재생: Diesel Particulate Filter regeneration) 제어 방법에 있어서,
   (a) 상기 DPF에 포집된 입자상 물질들(PM: particulate matters) 중 일부를 연소시키는 선-재생 단계; 및
   (b) 상기 DPF에 포집된 입자상 물질들 중 나머지 부분을 연소시키는 후-재생 단계;를 포함하며,
   상기 선-재생 단계는 상기 디젤 엔진의 배기 가스 온도가 기 설정된 기준 온도 이상으로 나타나는 제1 운전 조건으로 상기 디젤 엔진의 운전 조건이 설정되도록 상기 디젤 엔진과 상기 전기 모터에 동력을 배분하면서 수행되고,
   상기 후-재생 단계는,
   (b1) 상기 배기 가스 온도가 상기 기준 온도보다 작게 나타나는 제2 운전 조건으로 상기 디젤 엔진의 운전 조건이 설정되도록 상기 디젤 엔진과 상기 전기 모터에 동력을 배분하면서 수행되는 제1 후-재생 단계; 및
   (b2) 상기 제1 운전 조건으로 상기 디젤 엔진의 운전 조건이 설정되도록 상기 디젤 엔진과 상기 전기 모터에 동력을 배분하면서 수행되는 제2 후-재생 단계;를 포함하며,
   상기 후-재생 단계에서 상기 제1 후-재생 단계와 상기 제2 후-재생 단계는 적어도 1회 반복 수행되는, DPF 재생 제어 방법.
   
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 DPF에 축적된 입자상 물질들의 양이 기 설정된 재생 개시 기준값을 초과한 경우 상기 선-재생 단계를 개시하는 DPF 재생 제어 방법.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 DPF에 축적된 입자상 물질들의 양이 기 설정된 재생 종료 기준값 이하인 경우 상기 후-재생 단계를 종료하는 DPF 재생 제어 방법.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 운전 조건은 상기 디젤 엔진이 나타내는 부하 및 속도로 특정되는 DPF 재생 제어 방법.
   
6. 제1항에 있어서,
   상기 기준 온도는 620 ~ 640 ℃의 온도 범위에서 선택되는 DPF 재생 제어 방법.
   
   
   

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