KR101656532B1 - 비－작업 부하를 이용한 ｄｐｆ 강제 재생 시스템 및 그 방법 - Google Patents

비－작업 부하를 이용한 ｄｐｆ 강제 재생 시스템 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건설기계의 엔진의 DPF 강제 재생 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 엔진으로 임의로 비-작업 부하를 제공하여 신속하게 DPF 강제 재생을 수행함을 특징으로 하는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 예컨대 실질적인 작업을 수행하지 않으면서 메인펌프에서 최대 유량의 작동유를 토출하도록 제어함으로써 엔진이 임의로 비-작업 부하를 받아 구동되고, 이에 고온의 배기가스가 배출되어 DOC와 연료 사이의 발열반응을 촉진시키고, 이를 통해 DPF 강제 재생을 실질적인 부하가 없는 아이들 상태로 엔진을 구동하는 경우에 비해 더 신속하게 수행할 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공하며, 이를 통하여 종래보다 단축된 시간 내에 DPF 강제 재생을 완료함으로써 시간과 비용 면에서 재생 효율을 개선할 수 있다.

Description

비－작업 부하를 이용한 ＤＰＦ 강제 재생 시스템 및 그 방법{Active regeneration DPF system using non-working load}
본 발명은 엔진의 DPF 강제 재생 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 건설기계의 실질적인 작업이 정지된 상태에서도 엔진으로 임의로 비-작업 부하를 제공하여 신속하게 DPF 강제 재생을 수행함을 특징으로 하는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
건설기계에서 사용되는 엔진은 다양한 규제와 기준을 충족하도록 요구받고 있다. 그러한 기준 중 하나는 배기가스에 포함되는 질소 산화물(NOx) 및 입자상 물질(PM; Particulate Matter)과 같은 오염물을 감소시키는 것으로, 건설기계를 사용함에 있어 소음에 관한 규제와 더불어 주요한 환경 기준이 될 수 있다.
이러한 환경 기준에 부합하기 위해서, 통상적으로 배기가스 재순환 장치(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 및 디젤미세먼지필터(DPF; Diesel Particulate Filter) 장치와 같은 다양한 수단을 적용한 엔진이 사용되고 있다.
여기서, 디젤미세먼지필터(DPF)는 엔진에서 나온 배기가스가 배출되는 경로상에, 예컨대 머플러 내에 매연을 포함하는 입자상 물질인 미세먼지(soot)를 포집하여 여과할 수 있는 필터를 지칭하는 것으로, 이러한 필터가 장착된 장치를 칭하기도 한다.
이러한 필터는 그 안에 포집된 미세먼지를 주기적으로 또는 포집된 양에 따라 임의로 제거하는 과정을 필요로 하며, 이를 통상 'DPF 재생(Regeneration)' 또는 '연소 제거'라 한다.
이러한 재생은 그 구현 방식에 따라 자연 재생(passive regeneration)과 강제 재생(active regeneration)으로 크게 구분될 수 있다.
예컨대, DPF 자연 재생이라 함은, 건설기계의 작업 중에 상승한 배기가스의 온도에 의해 필터 내에 포집되어 있는 미세먼지를 연소시키거나, 또는 건설기계의 운전 중 배기가스가 배출되는 경로 상에 소량의 연료를 투입함으로써 이 경로 상에 미리 배치된 디젤산화촉매장치(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)와 투입된 연료가 발열반응을 일으켜 더 높은 열을 생성시키고, 이에 따라 포집되어 있는 미세먼지를 연소시키는 방식을 말한다.
다음으로, DPF 강제 재생이라 함은, 운전자가 실질적으로 작업을 실시하지 않으면서 강제로 건설기계의 엔진을 구동하여 배기가스를 배출하고, 이 배기가스의 온도에 기초하여 배기 경로 상에 투입된 소량의 연료가 역시 배기 경로 상에 미리 배치되어 있는 디젤산화촉매장치(DOC)와 발열반응을 일으켜 미세먼지의 연소(재생)에 필요한 온도로 배기가스의 온도를 더 높임으로써 필터 내에 포집되어 있는 미세먼지를 연소시키는 방식을 말한다.
도 1을 참조하여 통상의 DPF 강제 재생 시스템의 개략적인 구성을 살펴보면 다음과 같다. 도 1에 따르면, 통상의 DPF 강제 재생 시스템(100)은 터보 차저(12)가 형성된 엔진(10)과 그로부터 배기가스가 배출되는 배기 경로(20) 상에 형성된 DPF(디젤미세먼지필터)(30), 및 DPF 전단의 DOC(디젤산화촉매장치)(40)를 포함하고, 또한 배기 경로(20) 중 DOC의 전단으로 소량의 연료를 투입하는 연료 투입 수단(50) 및 엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(60)를 포함한다. DPF 강제 재생의 경우, 실질적인 작업 부하가 생성되지 않으므로, 그에 관련된 상세는 도면에서 생략되어 있다.
이러한 구성의 시스템을 갖는 DPF 강제 재생의 경우에, 건설기계는 작업이 정지된 상태이기 때문에, 예를 들어, 붐, 버켓 등과 같은 프론트 작업 수단을 구동하거나 차량을 전후로 주행하는 등 건설기계의 실질적인 작업을 일으키지 않는 상태를 유지하게 되고, 엔진은 최소의 부하만을 받는 아이들 상태(즉, 낮은 rpm)로 구동되며, 이에 아이들 상태에서 배출되는 배기가스의 온도는 쉽게 높아지지 않는다. 즉, 아이들 상태로 구동되기 시작한 엔진으로부터 나온 배기가스는 작업시와 비교하여 상대적으로 낮은 온도를 갖는다.
한편, DPF 강제 재생 방식으로 디젤미세먼지필터(DPF) 내에 포집된 미세먼지를 연소(DPF 재생)시키기 위해서는, 배기 경로 상에 배치되어 있는 DOC와 DOC의 전단에서 배기 경로 상으로 투입되는 연료 사이에 발열반응이 일어나야 하고, 이 발열반응은 소정 온도(약 235℃) 이상에서 가능하기 때문에, 실질적인 작업 부하 없이 실시되는 DPF 강제 재생의 경우 배기가스가 이러한 소정 온도로 가열되기까지 상당한 시간을 필요로 한다.
통상 엔진은 아이들 구동 상태보다 부하를 받아 구동하는 경우에 더 높은 온도의 배기가스를 배출하게 된다. 그러나, 자연 재생의 경우와 달리 강제 재생의 경우는 건설기계가 정지된 상태에서 실질적인 무부하 상태(아이들 상태)로 엔진이 구동되기 때문에 배기가스의 온도가 DOC의 발열반응이 가능한 소정 온도까지 높아지기까지 상당한 시간이 요구되는 것이다. 예컨대, 건설기계의 DPF 강제 재생의 경우 대략 30분에서 1시간여 정도의 시간이 소요되는 것으로 알려져 있다.
건설기계의 구입비용이 크기 때문에, 대부분의 건설기계는 시간 또는 날짜 기준으로 대여되는 것이 일반적이며, 작업을 하면서 병행할 수 있는 DPF 자연 재생 과정과 달리, 작업을 실시하지 못하면서 시간을 보내야 하는 DPF 강제 재생 과정은 건설기계를 대여함에 있어 비용 부담을 가중시켜 왔다. 덧붙여, 건설기계를 대여한 경우가 아니더라도, DPF 강제 재생으로 인해 상당한 시간 동안 작업이 일시 중단되어야 하는 점은 건설기계 작업 공정의 전반적인 효율을 떨어뜨리는 결과를 가져오곤 하였다. 또한 오랜 시간동안 지속되는 DPF 강제 재생 과정동안 계속하여 엔진이 구동되어야 하기 때문에 DPF 강제 재생이 수행되는 지속 시간에 따라 연료 소모량이 비례하여 증가하는 어려움이 있었다.
본 발명의 목적은 엔진으로 임의의 비-작업 부하를 부여하여 신속하게 배기가스의 온도를 높임으로써 효율적으로 수행될 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 신속한 DPF 강제 재생을 실시함으로써 강제 재생과 관련하여 소모되는 연료량을 최소화할 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 엔진과; 엔진에서 나온 배기가스가 외부로 배출되는 배기 경로 상에 배치되는 디젤미세먼지필터(DPF)와; 배기 경로 상에서 DPF의 전단에 배치되는 디젤산화촉매장치(DOC)와; 소정 온도에서 DOC와 발열반응을 일으키는 연료를 상기 배기 경로 중 상기 DOC의 전단으로 투입하는 연료 투입 수단; 및 엔진으로 비-작업 부하를 제공하는 강제부하 생성 수단;을 포함하고, 이때 강제부하 생성 수단은 메인펌프에 의해 구성되며, DPF 강제 재생시, 메인펌프가 건설기계의 실질적인 작업을 야기하지 않으면서 임의로 최대 유량의 작동유를 토출하도록 제어됨으로써 비-작업 부하를 생성하고, 이에 따라 엔진이 소정 온도 이상의 배기가스를 배출하는 것인, 비-작업 부하를 이용한 DPF 강제 재생 시스템을 제공한다.
이처럼, DPF 강제 재생의 경우에 엔진이 비-작업 부하를 받아 구동됨으로써 아이들 상태로 구동되는 경우와 비교하여 더 짧은 시간에 배기가스의 온도를 소정 온도 이상으로 높일 수 있으므로, DOC와 연료의 발열반응을 촉진하여 그로 인해 생성되는 고온에 의해 DPF 재생(연소 제거)을 효율적으로 실시할 수 있다.
또한 본 발명의 시스템은, 메인펌프가 센터바이패스라인을 통해 탱크로 회수되는 작동유의 압력에 기초하는 신호값을 피드백하여 작동유의 토출 유량을 제어하는 네가콘 방식(Negative Control System)으로 구동될 때, DPF 강제 재생시, 피드백 값을 임의로 최저로 조정함으로써 메인펌프가 최대 유량의 작업유를 토출하도록 함을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 시스템은, 피드백 값이 전달되는 경로 상에 배치되는 솔레노이드 밸브를 더 포함하고, 최저의 피드백 값은 솔레노이드 밸브를 차단함으로써 생성되는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명의 시스템은, 메인펌프가 조종석 내 조이스틱에 연결된 비례제어밸브를 통해 메인펌프로 전달되는 비례전류치에 기초하여 작동유의 토출 유량을 제어하는 포지콘 방식(Positive Contorl System)으로 구동될 때, DPF 강제 재생시, 비례전류치를 임의로 최대로 조정함으로써 메인펌프가 최대 유량의 작업유를 토출하도록 함을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, 전술한 DPF 강제 재생 시스템에서 DPF를 강제 재생하는 방법으로서, (a) 엔진을 아이들 상태에서 구동하는 단계와; (b) DOC 전단의 배기가스의 온도를 측정하는 단계와; (c) 측정된 온도가 소정 온도 이하일 때, 강제부하 생성 수단을 구동하여 비-작업 부하를 엔진으로 부여하는 단계와; (d) 엔진이 비-작업 부하에 의해 더 높은 고온의 배기가스를 배출하는 단계와; (e) 측정된 온도가 소정 온도를 초과할 때, 강제 부하 생성수단이 구동 중이라면 강제 부하 생성수단의 구동을 멈추는 단계와; (f) DPF 강제 재생을 실시하는 단계; 및 (g) DPF의 재생 완료시까지 (b) 단계 내지 (f) 단계를 반복하는 단계;를 포함하고, 이때 고온의 배기가스로 인해 DOC와 연료 간의 발열반응이 촉진됨으로써 DPF 강제 재생이 효율적으로 수행되는 것인, 비-작업 부하를 이용한 DPF 강제 재생 방법을 제공한다.
본 발명에 따르면, DPF 강제 재생시 엔진으로 건설기계의 실질적인 작업 부하가 아닌 임의의 비-작업 부하를 부여하여 신속하게 배기가스의 온도를 높임으로써 효율적으로 수행될 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 신속한 DPF 강제 재생을 실시함으로써 강제 재생과 관련하여 소모되는 연료량을 최소화할 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 DPF 강제 재생 시스템의 일 예를 도시한 블록도이고;
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 도시한 블록도이고;
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 도시한 블록도이고;
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 도시한 블록도이며; 그리고
도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 방법을 도시한 순서도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 도시한 블록도이다. 구체적으로 살펴보면, 이 실시형태의 DPF 강제 재생 시스템(200)은 터보 차저(112)가 구비된 엔진(110)과 그로부터 배출되는 배기가스의 배기 경로(120) 상에 디젤산화촉매장치(DOC)(140) 및 디젤미세먼지필터(DPF)(130)가 차례로 배치되고 DOC(140)의 전단으로 배기 경로 상에 연료를 투입하는 연료 투입 수단(150)을 포함한다. 또한, 엔진(110)에는 건설기계의 각종 작업단(예컨대, 붐, 버켓, 선회모터 등)으로 작동유를 공급하는 메인펌프(160)가 연결되어 있으며, 메인펌프(160)는 소위 센터바이패스라인(162)과 패러렐라인(도시되지 않음)을 포함하는 유압 회로를 통해 작동유를 공급함으로써 작업단 제어밸브(170)를 제어하여 각 작업단의 구동을 야기한다. 도면에서 작업단 제어밸브(170)는 단순히 하나의 블록으로 표시되어 있지만, 실제로는 각 작업단(붐, 버켓, 선회모터 등)과 대응하는 다수의 제어밸브와 그에 관련된 포트 및 유로 등을 의미하는 것이다. 또한, 센터바이패스라인(162)의 말단에는 작동유를 회수하는 탱크(164)가 구비되어 있으며, 탱크(164)로 회수되기 직전의 작동유의 압력에 기초한 신호값(180)이 메인펌프(160)로 피드백되며, 이 피드백된 신호값에 기초하여 이후 메인펌프(160)의 작동유 토출 유량이 실시간으로 제어될 수 있다. 또한, 신호값(180)이 피드백되는 경로 도중에 솔레노이드 밸브(190)가 형성되고, 이 솔레노이드 밸브(190)를 제어하는 신호(S)가 제공된다. 이 제어 신호(S)는 예컨대, DPF 강제 재생시에 이 솔레노이드 밸브(190)를 차단하도록 하는 값을 전달한다.
이처럼, 도 2는 메인펌프(160)가 소위 네가콘 방식(Negative Contorl System)으로 구동되는 경우에 적용될 수 있는 DPF 강제 재생 시스템(200)의 일 예를 도시하고 있다. 네가콘 방식이라 함은, 예컨대, 센터바이패스라인(162)을 통해 탱크(164)로 회수되는 작동유의 압력에 기초하는 신호값(180)을 피드백하여 메인펌프(160)의 작동유 토출 유량을 실시간으로 제어하는 방식을 말하며, 피드백된 신호값(또는 '네가콘 신호'라고도 한다)에 역으로 비례하여 토출 유량이 결정됨을 특징으로 한다. 예를 들어, 네가콘 방식에 따르면, 메인펌프로 피드백된 신호값이 낮을수록 토출 유량이 많아지고(L->H) 신호값이 높을수록 토출 유량이 낮아지게 된다(H->L).
실제 건설기계가 실질적인 작업을 실시하는 경우에, 각 작업단(붐, 버켓, 선회모터 등 - 도시되지 않음)으로 작동유가 공급되기 때문에, 센터바이패스라인(162)의 말단에 위치한 탱크(164)로 회수되는 작동유의 압력은 낮아지게 되며, 이러한 낮은 압력값에 기초한 신호값(L)이 피드백됨으로써 그에 역으로 비례하여 메인펌프(160)가 높은 작동유 유량(H)을 토출하게 된다. 예컨대, 건설기계가 붐과 버켓의 복합구동을 하는 경우라면 메인펌프(160)는 더 높은 유량의 작동유를 토출하게 될 것이다. 이와 반대로 건설기계가 실질적인 작업을 하지 않게 되면, 센터바이패스라인(162)의 말단에 위치한 탱크(164)로 회수되는 작동유의 압력이 높아지게 되며, 이러한 높은 압력값에 기초한 신호값(H)이 피드백됨으로써 그에 역으로 비례하여 메인펌프(160)가 낮은 작동유 유량(L)을 토출하게 된다. 즉, 실질적인 작업이 없는 경우에는 메인펌프(160)는 최소의 유량만을 토출하게 될 것이다. 이는 결국 엔진에 실질적인 부하를 제공하지 않게 되고, 엔진을 아이들(idle) 상태로 구동하도록 한다.
이와 같은 시스템(200)에 있어서, DPF 강제 재생을 실시하는 경우라면, 실질적인 작업 부하가 일어나지 않으므로 엔진(110)은 아이들 상태(즉, 낮은 rpm)에서 구동된다. 전술한 바와 같이, DPF 강제 재생을 보다 신속하게 수행하기 위해서는 엔진(110)으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 DOC(140)와 연료간의 발열반응이 일어나기 위한 기준인 소정 온도(예컨대, 약 235℃) 이상으로 높이는 것이 요구되며, 이에 본 발명은 실질적인 작업이 아닌 비-작업 부하를 엔진(110)으로 제공함으로써 배기가스의 온도를 빠르게 높일 수 있다.
본 발명에서, 용어 '비-작업 부하'는 결국 건설기계의 각 작업단을 실제로 구동하지 않으면서 엔진(110)으로 제공되는 임의의 강제 부하를 의미한다. 즉, 이 실시형태에서 단지 네가콘 신호의 피드백 경로 상에 배치된 솔레노이드 밸브(190)를 차단함으로써, 메인펌프(160)로 피드백되는 네가콘 신호를 임의로 최저로 제어할 수 있으며, 이에 메인펌프는 실질적인 작업이 수행되지 않음에도 지속적으로 최대 유량의 작동유를 토출하게 된다. 이처럼, 메인펌프(160)가 최대 유량의 작동유를 토출하는 동안, 그에 따라 엔진(110)으로 임의의 강제 부하인 소위 '비-작업 부하'가 제공되며, 이를 통해 엔진(110)이 구동됨으로써 아이들 상태와 비교하여 더 빠르게 배기가스의 온도를 높일 수 있게 된다.
배기가스가 소정의 온도, 즉 약 235℃에 이르면, 이 배기가스의 온도에 의해 DOC(140)와 연료간의 발열반응이 촉진되고, 발열반응에 의해 나타나는 약 6-700℃의 고온으로 인해 DOC(140)의 후단에 배치되어 있는 DPF(130) 내에 포집되어 있던 미세먼지(soot)가 연소 제거될 수 있다. 즉, DPF 재생이 실시될 수 있다.
이처럼, 이 실시형태에서는 네가콘 방식으로 구동되는 메인펌프(160)에 대해 피드백되는 신호값(180)을 경로 상에 배치된 솔레노이드 밸브(190)를 차단하여 신호값(네가콘 신호)을 임의로 최저로 제어함을 특징으로 하며, 이에 따라 메인펌프(160)가 최대 유량의 작동유를 토출하도록 함으로써 '비-작업 부하'를 엔진(110)으로 제공하고, 이에 따라 엔진(110)이 부하를 통해 종래 아이들 상태로 구동되는 경우보다 더 신속하게 높은 온도, 바람직하게는 DOC(140)의 발열반응을 촉진하기 위한 소정의 온도의 배기가스를 배출함을 특징으로 한다.
다음으로, 도 3은 도 2와 유사한 실시형태를 도시한 것이며, 단지 네가콘 신호가 피드백되는 경로 상에 2개의 솔레노이드 밸브(192, 192')가 배치된 것이 상이하다. 구체적으로, 비록 도면에서 하나의 단일 블록으로 메인펌프(160)가 표시되어 있지만, 통상의 건설기계는 좌우 한 쌍의 메인펌프를 갖는 것이 일반적이며, 도 2 및 도 3의 메인펌프(160)는 실제로는 좌우 한 쌍의 2개의 메인펌프를 의미할 수 있다. 또한, 각 메인펌프를 기준으로 센터바이패스라인, 페러렐라인, 작업단 제어 밸브, 탱크 등의 유압회로가 별개로 구성되며, 결과적으로 탱크로 회수되는 작동유의 압력에 기초하는 신호값(네가콘 신호) 역시 각각의 메인펌프로 하나씩 피드백되어야 하고, 이에, 각 신호값(182, 182')이 피드백되는 경로 상에 하나씩 2개의 솔레노이드 밸브(192, 192')가 제공됨을 나타낸 것이다.
즉, 도 3은 메인펌프로 피드백되는 경로에 대해 각각 솔레노이드 밸브(192, 192')가 형성된 점을 제외하고는 도 2의 구성과 실질적으로 동일한 것으로, 도 2의 실시형태의 변형예로 이해될 수 있다.
다음으로, 도 4는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 도시한 블록도이다. 구체적으로 살펴보면, 이 실시형태의 DPF 강제 재생 시스템(300)은 터보 차저(212)가 구비된 엔진(210)과 그로부터 배출되는 배기가스의 배기 경로(220) 상에 디젤산화촉매장치(DOC)(240) 및 디젤미세먼지필터(DPF)(230)가 차례로 배치되고 DOC(240)의 전단으로 배기 경로 상에 연료를 투입하는 연료 투입 수단(250)을 포함한다. 또한, 엔진(210)에는 건설기계의 각종 작업단(예컨대, 붐, 버켓, 선회모터 등 - 도시되지 않음)으로 작동유를 공급하는 메인펌프(260)가 연결되어 있으며, 메인펌프(260)는 소위 센터바이패스라인(262)과 패러렐라인(도시되지 않음)을 포함하는 소정의 유압 회로를 통해 작동유를 공급함으로써 작업단 제어밸브(270)를 제어하여 각 작업단의 구동을 야기한다. 도면에서 작업단 제어밸브(270)는 단순히 하나의 블록으로 표시되어 있지만, 실제로는 각 작업단(붐, 버켓, 선회모터 등)과 대응하는 다수의 제어밸브와 그에 관련된 포트 및 유로 등을 의미하는 것이다. 또한, 센터바이패스라인(262)의 말단에는 작동유를 회수하는 탱크(264)가 구비되어 있다. 또한, 예컨대 조종석 내 조이스틱(도시되지 않음)의 작동에 대응하여 제어되는 비례제어밸브(280)가 배치되어, 이 밸브(280)로부터 나온 비례제어신호(282)가 메인펌프(260)로 전달되어 이후 메인펌프(160)의 작동유 토출 유량이 실시간으로 제어될 수 있다. 비례제어밸브(280)에는 조이스틱의 작동과 별개로 비례제어밸브를 제어하는 신호(S)가 제공될 수 있다. 이 제어 신호(S)는 예컨대, DPF 강제 재생시에 이 비례제어밸브(280)를 제어할 수 있다.
이처럼, 도 4는 메인펌프(260)가 소위 포지콘 방식(Positive Contorl System)으로 구동되는 경우에 적용될 수 있는 DPF 강제 재생 시스템(300)의 일 예를 도시하고 있다. 포지콘 방식이라 함은, 예컨대, 조종석 내 조이스틱(도시되지 않음)의 작동에 대응하여 비례제어밸브(280)로부터 전달되는 비례제어신호(282)에 따라 메인펌프(260)의 작동유 토출 유량을 실시간으로 제어하는 방식을 말하며, 전달된 비례제어신호(또는 '포지콘 신호'라고도 한다)에 비례하여 토출 유량이 결정됨을 특징으로 한다. 예를 들어, 포지콘 방식에 따르면, 메인펌프로 전달된 신호값이 낮을수록 토출 유량이 낮아지고(L->L) 신호값이 높을수록 토출 유량이 높아지게 된다(H->H).
실제 건설기계가 실질적인 작업을 실시하는 경우에, 각 작업단(붐, 버켓, 선회모터 등 - 도시되지 않음)을 구동하기 위해 조종석 내 조이스틱이 작동하게 되며, 이 조이스틱의 작동에 대응하여 비례제어밸브(280)의 비례제어신호(282)가 메인펌프(260)로 전달됨으로써 그에 비례하여 메인펌프(260)가 높은 작동유 유량(H)을 토출하게 된다. 예컨대, 건설기계가 붐과 버켓의 복합구동을 하는 경우라면 메인펌프(260)는 더 높은 유량의 작동유를 토출하게 될 것이다. 이와 반대로 건설기계가 실질적인 작업을 하지 않게 되면, 조이스틱이 작동하지 않게 되고, 이에 최저의 비례제어신호가 메인펌프(260)으로 전달되며, 그에 비례하여 메인펌프(260)가 최소의 작동유 유량(L)을 토출하게 된다. 즉, 실질적인 작업이 없는 경우에는 메인펌프(260)는 최소의 유량만을 토출하게 될 것이다. 이는 결국 엔진에 실질적인 부하를 제공하지 않게 되고, 엔진을 아이들(idle) 상태로 구동하도록 한다.
이와 같은 시스템(300)에 있어서, DPF 강제 재생을 실시하는 경우라면, 실질적인 작업 부하가 일어나지 않으므로 엔진(110)은 아이들 상태(즉, 낮은 rpm)에서 구동된다. 전술한 바와 같이, DPF 강제 재생을 보다 신속하게 수행하기 위해서는 엔진(210)으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 DOC(240)와 연료간의 발열반응이 일어나기 위한 기준인 소정 온도(예컨대, 약 235℃) 이상으로 높이는 것이 요구되며, 이에 본 발명은 실질적인 작업이 아닌 비-작업 부하를 엔진(210)으로 제공함으로써 배기가스의 온도를 빠르게 높일 수 있다.
즉, 이 실시형태에서 단지 비례제어밸브(280)로 제어 신호(S)를 제공하여 이 비례제어밸브(280)로부터 전달되는 비례제어신호(282)를 임의로 최대로 제어할 수 있으며, 이에 메인펌프는 실질적인 작업이 수행되지 않음에도 지속적으로 최대 유량의 작동유를 토출하게 된다. 이처럼, 메인펌프(260)가 최대 유량의 작동유를 토출하는 동안, 그에 따라 엔진(210)으로 임의의 강제 부하인 소위 '비-작업 부하'가 제공되며, 이를 통해 엔진(210)이 구동됨으로써 아이들 상태와 비교하여 더 빠르게 배기가스의 온도를 높일 수 있게 된다.
배기가스가 소정의 온도, 즉 약 235℃에 이르면, 이 배기가스의 온도에 의해 DOC(240)와 연료간의 발열반응이 촉진되고, 발열반응에 의해 나타나는 약 6-700℃의 고온으로 인해 DOC(240)의 후단에 배치되어 있는 DPF(230) 내에 포집되어 있던 미세먼지(soot)가 연소 제거될 수 있다. 즉, DPF 재생이 실시될 수 있다.
이처럼, 이 실시형태에서는 포지콘 방식으로 구동되는 메인펌프(260)로 전달되는 비례제어밸브(280)의 비례제어신호(282)를 임의로 최대로 제어함을 특징으로 하며, 이에 따라 메인펌프(260)가 최대 유량의 작동유를 토출하도록 함으로써 '비-작업 부하'를 엔진(210)으로 제공하고, 이에 따라 엔진(210)이 부하를 통해 종래 아이들 상태로 구동되는 경우보다 더 신속하게 높은 온도, 바람직하게는 DOC(240)의 발열반응을 촉진하기 위한 소정의 온도의 배기가스를 배출함을 특징으로 한다.
다음으로, 도 5는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 방법을 도시하는 순서도이다.
도 5에 따르면, 이 실시형태는 DPF 강제 재생을 실시하기 위해서 아이들 상태에서 엔진이 구동되면서 시작된다(S100). DPF 재생을 수행하기 위해서는 DPF 내에 포집되어 있는 미세먼지(매연 등을 포함하는 미세 입자)를 연소 제거(재생)할 수 있는 예컨대, 6-700℃의 높은 온도가 요구되며, 이는 통상 DOC와 투입되는 연료간의 발열반응에 의해 달성될 수 있다. 따라서, DOC의 발열반응을 촉진할 수 있는 소정 온도인 약 235℃까지 배기가스의 온도가 도달하여야 DPF 강제 재생이 수행될 수 있다.
이에, 배기 경로 상의 DOC의 전단에서 배기가스의 온도가 측정된다(S110). 측정된 온도는 발열반응을 촉진할 수 있는 소정 온도(약 235℃)와 비교된다(S120). 비교 결과 측정된 온도가 소정 온도 이하라면, 전술한 바와 같이 메인펌프로 이루어진 강제부하 생성 수단을 구동하여 비-작업 부하를 생성하고 이를 엔진으로 제공한다(S130). 엔진은 비-작업 부하를 받아 구동됨으로써 붐, 버켓 등의 구동과 같은 실질적인 작업 부하가 없이 배기가스의 온도를 아이들 상태보다 더 빠르게 높일 수 있다(S140). 배기가스의 온도가 DOC의 발열반응이 촉진될 수 있는 소정 온도로 상승하면, DOC와 연료간의 발열반응에 의해 소정 온도(약 235℃)보다 더 높은 고온(약 6-700℃)이 생성되고 그를 통해 DPF 내에 포집되어 있던 미세먼지가 연소 제거(재생)된다(S150). 이후 재생이 완료되었는지 여부를 확인한 후(S160) DPF 강제 재생 방법이 종료된다.
덧붙여, 전술한 측정 온도 비교 단계(S120)에서 측정 온도가 소정 온도를 초과하는 것으로 판단되면, 강제부하 생성 수단이 구동중인지 여부를 확인한 후 구동중이라면 구동중인 강제부하 생성 수단을 정지시켜 비-작업 부하의 생성을 멈춘다(S170). 즉, 엔진으로 제공되는 비-작업 부하를 제거함으로써 엔진이 아이들 상태로 구동되도록 함으로써 불필요하게 연료가 소모되는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 엔진에 비-작업 부하를 제공하는 것은 배기가스의 온도를 DOC의 발열반응을 촉진할 수 있는 소정 온도까지 높이는 것을 목적으로 한 것이라는 점에서, 그 목적이 이루어진 상태를 확인한 이후에는 더 이상 '비-작업 부하'를 엔진으로 제공할 필요는 없는 것이다. 물론, 재생이 완료되기까지 지속적으로 DOC 전단의 배기가스의 온도를 측정하는 단계 및 이후 단계들(S110 내지 S160)을 반복함으로써, 실시간으로 비-작업 부하의 제공 여부를 결정하고, 그에 따라 불필요한 연료의 소모량을 줄일 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 DPF 강제 재생을 실시할 때 엔진이 아이들 상태로 구동되는 종래의 경우와 비교하여 더 빠르게 배기가스의 온도를 소정 온도로 높일 수 있도록 엔진으로 실질적인 건설기계의 작업 부하가 아닌 비-작업 부하를 제공함으로써 DPF 강제 재생에 소요되는 시간을 단축하고, 동시에 시간 단축에 따른 연료 소모량의 절감을 도모할 수 있다. 또한, 비-작업 부하를 배기가스의 온도에 따라 선택적으로 제공함으로써 배기가스의 온도가 소정 온도를 초과하는 경우에는 비-작업 부하의 제공을 차단하게 되어 결과적으로 연료 소모량의 절감을 도모할 수 있다.
100, 200, 300: DPF 강제 재생 시스템
10, 110, 210: 엔진(ENG)
12, 112, 212: 터보 차저(T/C)
20, 120, 220: 배기 경로
30, 130, 230: 디젤미세먼지필터(DPF)
40, 140, 240: 디젤산화촉매장치(DOC)
50, 150, 250: 연료 투입 수단
60, 160, 260: 펌프(메인펌프)
162, 262: 센터바이패스라인
164, 264: 탱크
170, 270: 작업단 제어밸브
180, 182, 182': 피드백 신호
190, 192, 192': 솔레노이드 밸브
280: 비례제어밸브
282: 비례제어신호
S: 제어 신호

Claims (5)

  1. 엔진(110);
    상기 엔진에서 나온 배기가스가 외부로 배출되는 배기 경로(120) 상에 배치되는 디젤미세먼지필터(DPF)(130);
    상기 배기 경로 상에서 상기 DPF의 전단에 배치되는 디젤산화촉매장치(DOC)(140);
    소정 온도에서 상기 DOC(140)와 발열반응을 일으키는 연료를 상기 배기 경로 중 상기 DOC의 전단으로 투입하는 연료 투입 수단(150); 및
    상기 엔진(110)으로 비-작업 부하를 제공하는 강제부하 생성 수단;을 포함하고,
    상기 강제부하 생성 수단은 메인펌프(160)에 의해 구성되며,
    DPF 강제 재생시, 상기 메인펌프(160)가 건설기계의 작업을 야기하지 않으면서 임의로 최대 유량의 작동유를 토출하도록 제어됨으로써 비-작업 부하를 생성하고, 이에 따라 상기 엔진(110)이 상기 소정 온도 이상의 배기가스를 배출하며,
    상기 메인펌프(160)가 센터바이패스라인(162)을 통해 탱크(164)로 회수되는 작동유의 압력에 기초하는 신호값(180)을 피드백하여 작동유의 토출 유량을 제어하는 네가콘 방식(Negative Control System)으로 구동될 때,
    DPF 강제 재생시, 상기 피드백 값을 임의로 최저로 조정함으로써 상기 메인펌프(160)가 최대 유량의 작업유를 토출하도록 하는 것인, 비-작업 부하를 이용한 DPF 강제 재생 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 피드백 값이 전달되는 경로 상에 배치되는 솔레노이드 밸브(190)를 더 포함하고, 상기 최저의 피드백 값은 상기 솔레노이드 밸브(190)를 차단함으로써 생성되는 것인, 비-작업 부하를 이용한 DPF 강제 재생 시스템.
  4. 삭제
  5. 삭제
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