KR102663658B1 - 매연여과필터의 재생 제어방법 - Google Patents

매연여과필터의 재생 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가솔린 엔진 차량의 퓨얼컷 구간에서 매연여과필터의 재생에 따른 필터의 손상을 방지하는 기술에 관한 것으로, 본 발명에서는, 엔진의 퓨얼컷 구간에서 매연여과필터의 재생조건을 만족하는지 판단하고; 상기 재생조건 만족시, 상기 매연여과필터의 전단온도와 상기 매연여과필터 내의 수트(soot)포집량 및 배출가스 산소농도의 관계로 재생시의 매연여과필터 내의 최고 내부온도를 추정하며; 상기 최고 내부온도에 따라 퓨얼컷을 제어하면서 재생을 실시하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 매연여과필터의 재생 제어방법이 소개된다.

Description

매연여과필터의 재생 제어방법{REGENERATION CONTROL METHOD OF GASOLINE PARTICULATE FILTER}
본 발명은 가솔린 엔진 차량의 퓨얼컷 구간에서 매연여과필터의 재생에 따른 필터의 손상을 방지하도록 한 매연여과필터의 재생 제어방법에 관한 것이다.
가솔린 GDI/TGDI 엔진의 경우 연소실내 불완전 연소 구간의 증가로 PM 발생이 문제화 되고 있으며, 이를 해결하기 위해 디젤 엔진에서 사용하고 있는 매연여과필터 방식의 GPF(GASOLINE PARTICULATE FILTER)를 장착하는 등의 연구 개발이 활발히 이루어지고 있는 추세에 있다.
한편, 가솔린차량은 연비 개선을 위해 감속 구간에서 퓨얼컷 오프(Fuel Cut-Off) 로직을 적용하고 있다.
그런데, GPF에 퇴적된 PM이 재생(산화)될 때에, 퓨얼컷에 의해 다량의 산소가 GPF에 유입되면, PM의 산화가 급속히 이루어지면서 필터 내부의 온도가 급격하게 상승하게 되고, 이에 필터의 손상이 발생할 수 있는 문제가 있다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
KR 10-2018-0112228 A
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 가솔린 엔진 차량의 퓨얼컷 구간에서 매연여과필터의 재생에 따른 필터의 손상을 방지하도록 한 매연여과필터의 재생 제어방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 구성은, 컨트롤러가, 엔진의 퓨얼컷 구간에서 매연여과필터의 재생조건을 만족하는지 판단하는 재생조건판단단계; 컨트롤러가, 상기 재생조건 만족시, 상기 매연여과필터의 전단온도와 상기 매연여과필터 내의 수트(soot)포집량 및 배출가스 산소농도의 관계로 재생시의 매연여과필터 내의 최고 내부온도를 추정하는 내부온도추정단계; 및 컨트롤러가, 상기 최고 내부온도에 따라 퓨얼컷을 제어하면서 재생을 실시하도록 제어하는 재생단계;를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 매연여과필터 내의 차압을 검출하고, 검출된 차압에 따라 수트포집량을 추정할 수 있다.
상기 재생단계에서는, 상기 최고 내부온도가 제1기준온도 이하인 퓨얼컷 허용영역과, 상기 최고 내부온도가 제1기준온도 초과이고 제2기준온도 이하인 퓨얼컷 제한영역과, 상기 최고 내부온도가 제2기준온도 초과인 퓨얼컷 금지영역으로 구분 설정하여, 구분된 영역별로 퓨얼컷을 상이하게 제어할 수 있다.
상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 허용영역에 포함된 경우, 퓨얼컷을 지속적으로 실시하면서 재생할 수 있다.
상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 제한영역에 포함된 경우, 상기 최고 내부온도가 제1기준온도에 도달하기까지의 퓨얼컷 시간을 산출하여, 산출된 시간만큼 퓨얼컷을 실시하면서 재생한 후, 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생할 수 있다.
상기 퓨얼컷은 총 퓨얼컷 시간을 일정시간 단위로 분할하여 실시할 수 있다.
상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 금지영역에 포함된 경우, 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생을 실시할 수 있다.
상기 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생시, 연료분사량 제어를 통해 공연비를 1로 제어할 수 있다.
상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, 퓨얼컷 구간에서 재생시, 필터상태를 기반으로 필터의 예상 내부온도를 추정하고, 추정된 내부온도를 고려하여 퓨얼컷 여부를 제어한다. 따라서, 필터의 내부온도가 상대적으로 높아지지 않는 영역에서는 퓨얼컷을 유지하여 재생함으로써, 연비 향상에 기여하게 되고, 반면 필터의 내부온도가 필터의 손상을 유발할 정도로 높아지는 영역에서는 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생함으로써, 필터의 손상을 방지하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 적용 가능한 배기시스템의 구성을 예시하여 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 재생 제어과정을 나타낸 흐름도.
도 3은 본 발명에서 매연여과필터의 내부온도에 따라 퓨얼컷 영역을 구분한 것을 예시하여 나타낸 도면.
도 4는 본 발명에서 퓨얼컷 유지시간에 따른 매연여과필터 내부온도를 나타낸 도면.
본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명에 적용 가능한 배기시스템의 구성을 예시하여 나타낸 것으로, 가솔린 엔진(1)의 후단의 배기라인 상에 삼원촉매(3)(Three Way Catalyst)가 구비되어 배기가스를 정화시키는 기능을 하고, 상기 삼원촉매(3)의 후단에 매연여과필터(5)가 구비되어 배기가스 중의 PM을 물리적으로 포집하고 연소시켜 제거하게 된다.
상기 매연여과필터(5)는 가솔린 엔진(1)에 적용되는 GPF(GASOLINE PARTICULATE FILTER)일 수 있는 것으로, 상기 매연여과필터(5)의 전단에 온도센서(7)가 구비되어 매연여과필터(5) 전단의 온도를 검출하게 된다.
그리고, 상기 매연여과필터(5)의 전단에 산소센서(9)가 구비되어, 배기가스 중의 산소농도를 검출하게 된다.
또한, 상기 매연여과필터(5)의 전단 및 후단 사이에는 차압센서(11)가 구비되어, 상기 매연여과필터(5) 내의 차압을 검출하게 된다.
아울러, 상기 온도센서(7)와, 산소센서(9) 및 차압센서(11)에서 측정된 센싱값들과 함께 엔진(1)의 퓨얼컷 제어를 위해 요구되는 엔진운전조건이 컨트롤러(CLR)에 제공된다. 이에, 상기 컨트롤러(CLR)에 제공된 신호들을 기반으로 퓨얼컷을 제어하는 한편, 매연여과장치의 재생을 제어하게 된다.
한편, 상기한 배기시스템의 구성과 함께 도 2를 참조하여, 본 발명의 매연여과필터(5)의 재생을 제어하는 방법에 대해 살펴보면, 재생조건을 판단하는 단계와, 필터 내의 최고 내부온도를 추정하는 단계와, 재생을 제어하는 단계를 포함하여 구성이 된다.
먼저, 재생조건판단단계에서는, 컨트롤러(CLR)가, 엔진(1)의 퓨얼컷 구간에서 매연여과필터(5)의 재생조건을 만족하는지 판단하게 된다.
예컨대, 차압센서(11)를 통해 매연여과필터(5) 내의 차압을 검출하여, 검출된 차압이 재생필요차압을 초과시, 재생조건을 만족하는 것으로 판단할 수 있다.
내부온도추정단계에서는, 컨트롤러(CLR)가, 상기 재생조건 만족시, 상기 매연여과필터(5)의 전단온도와 상기 매연여과필터(5) 내의 수트(soot)포집량 및 배출가스 산소농도의 관계로 재생시의 매연여과필터(5) 내의 최고 내부온도를 추정하게 된다.
예컨대, 매연여과필터(5)의 전단온도와 상기 매연여과필터(5) 내의 수트(soot)포집량 및 배출가스 산소농도의 3D 내부온도맵을 설정함으로써, 설정된 내부온도맵을 통해 퓨얼컷 구간에서 재생시의 GPF 내의 내부온도를 확보할 수 있게 된다.
여기서, 상기 수트포집량은 상기 매연여과필터(5) 내의 차압을 검출하고, 검출된 차압에 따라 수트포집량을 추정할 수 있다.
재생단계에서는, 컨트롤러(CLR)가, 상기 최고 내부온도에 따라 퓨얼컷을 제어하면서 재생을 실시하도록 제어하게 된다.
즉, 퓨얼컷 구간에서 재생시, 필터상태를 기반으로 필터의 예상 내부온도를 추정하고, 추정된 내부온도를 고려하여 퓨얼컷 여부를 제어하게 된다.
따라서, 퓨얼컷을 실시하여 다량의 산소가 유입되더라도 필터의 내부온도가 상대적으로 높아지지 않는 영역에서는 퓨얼컷을 유지하여 재생함으로써, 연비 향상에 기여하게 되고, 필터의 내부온도가 필터의 손상을 유발할 정도로 높아지는 영역에서는 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생함으로써, 필터의 손상을 방지하게 된다.
아울러, 본 발명의 상기 재생단계에서는, 상기 최고 내부온도가 제1기준온도 이하인 퓨얼컷 허용영역과, 상기 최고 내부온도가 제1기준온도 초과이고 제2기준온도 이하인 퓨얼컷 제한영역과, 상기 최고 내부온도가 제2기준온도 초과인 퓨얼컷 금지영역으로 구분 설정하여, 구분된 영역별로 퓨얼컷을 상이하게 제어하게 된다.
도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, 상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 허용영역에 포함된 경우, 퓨얼컷을 지속적으로 실시하면서 재생하게 된다.
예컨대, 필터의 최고 내부온도가 1100℃ 이하가 되는 필터조건에서는, 퓨얼컷을 진행하면서 재생하더라도 필터 내부온도가 1100℃를 초과하지 않으므로, 퓨얼컷을 제한하지 않고 그대로 유지한채 재생을 실시하게 된다.
그리고, 상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 제한영역에 포함된 경우, 상기 최고 내부온도가 제1기준온도에 도달하기까지의 퓨얼컷 시간을 산출하여, 산출된 시간만큼 퓨얼컷을 실시하면서 재생한 후, 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생하게 된다.
예컨대, 필터의 최고 내부온도가 1100℃ ~ 1400℃가 되는 필터조건의 경우, 비록 재생 초기에는 필터의 내부온도가 1100℃를 넘지 않더라도 재생과정에서 퓨얼컷에 의해 산소가 유입되면 1400℃까지 상승할 수 있으므로, 필터의 예상 내부온도가 1100℃에 도달할 때까지만 퓨얼컷을 수행하면서 재생을 실시하고, 1100℃를 초과하는 영역에서는 퓨얼컷을 중단하고 재생을 실시하게 된다.
즉, 도 4는 퓨얼컷 유지시간에 따른 매연여과필터(5)의 내부온도를 나타낸 것으로, 퓨얼컷 유지시간이 길어질수록 필터의 내부온도가 높은 것을 확인할 수 있다. 이에, 필터의 내부온도가 1100℃를 초과하는 시점에서 퓨얼컷을 중단하도록 퓨얼컷 유지시간을 제어함으로써, 고온에 의해 필터가 손상되는 것을 방지하게 된다.
따라서, 필터의 손상 우려가 적은 재생구간에서는 퓨얼컷을 수행하고, 필터의 손상 우려가 높은 재생구간에서는 퓨얼컷을 중단함으로써, 퓨얼컷 구간을 최대한 증대시켜 연비를 향상시키는 한편, 재생과정에서 발생 가능한 필터의 손상 위험을 줄이게 된다.
이때에, 상기 퓨얼컷은 총 퓨얼컷 시간을 한번에 실시할 수 있고, 바람직하게는 총 퓨얼컷 시간을 일정시간 단위로 분할하여 실시할 수 있다.
하기의 표 1은 퓨얼컷 시간에 따른 매연여과필터(5)의 온도 평가결과를 나타낸 것으로, 퓨얼컷 시간을 분할하여 실시하는 것이 한번에 실시하는 것보다 더 높은 재생효율을 나타내는 것은 물론, 필터의 내부온도가 상대적으로 더 낮아지게 된다.
아울러, 상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 금지영역에 포함된 경우, 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생을 실시하게 된다.
즉, 필터 내부온도가 1400℃를 초과하여 재생되므로, 퓨얼컷을 중단한채 재생을 하게 된다.
이때에, 상기 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생시, 연료분사량 제어를 통해 공연비를 1로 제어할 수 있다.
한편, 도 2를 참조하여, 본 발명에 따른 재생 제어과정을 순차적으로 살펴보면, 차량의 주행시 퓨얼컷 구간에서 차압센서(11)를 이용하여 GPF 내의 차압을 모니터링한다.
모니터링 과정에서, 차압이 재생필요차압인 a 를 초과하는지 판단하고(S10), 판단결과 a를 초과하면, GPF의 전단온도와, GPF의 수트포집량과, 산소농도를 기반으로 GPF의 최고 내부온도를 추정한다(S20).
그리고, 상기 추정된 최고 내부온도를 기반으로 상기 필터조건들에 대해 퓨얼컷 허용영역과, 퓨얼컷 제한영역 및 퓨얼컷 금지영역으로 구분이 된다(S30).
이에, 필터의 최고 내부온도가 1100℃ 이하인 경우, 퓨얼컷 허용영역에 포함되므로, 퓨얼컷을 유지하는 상태에서(S40) GPF의 재생을 실시하게 된다(S50).
반면, 필터의 최고 내부온도가 1100℃ 초과이고 1400℃이하인 경우, 퓨얼컷 제한영역에 포함되므로, 1100℃를 초과하기 전까지의 퓨얼컷 시간을 산출하고(S60), 산출된 퓨얼컷 시간만큼만 퓨얼컷을 유지한채 재생하고(S70), 이 후에 퓨얼컷을 중단한 상태에서 GPF의 재생을 계속해서 수행한다.
그리고, 필터의 최고 내부온도가 1400℃ 초과인 경우, 퓨얼컷 금지영역에 포함되므로, 퓨얼컷을 중단한 상태에서(S80) GPF의 재생을 실시하게 된다(S100).
이때에, 연료분사량을 제어하여 공연비가 1이 되도록 제어하면서 재생할 수 있다(S90).
이 후, GPF 내의 차압이 재생종료차압인 b 미만인지 판단하고(S110), 판단결과 b 미만시, GPF의 재생을 종료하게 된다(S120).
상술한 바와 같이, 본 발명은 퓨얼컷 구간에서 재생시, 필터상태를 기반으로 필터의 예상 내부온도를 추정하고, 추정된 내부온도를 고려하여 퓨얼컷 여부를 제어한다. 따라서, 필터의 내부온도가 상대적으로 높아지지 않는 영역에서는 퓨얼컷을 유지하여 재생함으로써, 연비 향상에 기여하게 되고, 반면 필터의 내부온도가 필터의 손상을 유발할 정도로 높아지는 영역에서는 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생함으로써, 필터의 손상을 방지하게 된다.
한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.
1 : 엔진
3 : 삼원촉매
5 : 매연여과필터
7 : 온도센서
9 : 산소센서
11 : 차압센서
CLR : 컨트롤러

Claims (8)

  1. 컨트롤러가, 엔진의 퓨얼컷 구간에서 매연여과필터의 재생조건을 만족하는지 판단하는 재생조건판단단계;
    컨트롤러가, 상기 재생조건 만족시, 상기 매연여과필터의 전단온도와 상기 매연여과필터 내의 수트(soot)포집량 및 배출가스 산소농도의 관계로 재생시의 매연여과필터 내의 최고 내부온도를 추정하는 내부온도추정단계; 및
    컨트롤러가, 상기 최고 내부온도에 따라 퓨얼컷을 제어하면서 재생을 실시하도록 제어하는 재생단계;를 포함하고,
    상기 퓨얼컷은 총 퓨얼컷 시간을 일정시간 단위로 분할하여 실시함으로써, 퓨얼컷을 한번에 실시하는 것 대비 매연여과필터의 내부온도를 상대적으로 낮추는 것을 특징으로 하는 매연여과필터의 재생 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 매연여과필터 내의 차압을 검출하고, 검출된 차압에 따라 수트포집량을 추정하는 것을 특징으로 하는 매연여과필터의 재생 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 재생단계에서는,
    상기 최고 내부온도가 제1기준온도 이하인 퓨얼컷 허용영역과, 상기 최고 내부온도가 제1기준온도 초과이고 제2기준온도 이하인 퓨얼컷 제한영역과, 상기 최고 내부온도가 제2기준온도 초과인 퓨얼컷 금지영역으로 구분 설정하여, 구분된 영역별로 퓨얼컷을 상이하게 제어하는 것을 특징으로 하는 매연여과필터의 재생 제어방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 허용영역에 포함된 경우, 퓨얼컷을 지속적으로 실시하면서 재생하는 것을 특징으로 하는 매연여과필터의 재생 제어방법.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 제한영역에 포함된 경우, 상기 최고 내부온도가 제1기준온도에 도달하기까지의 퓨얼컷 시간을 산출하여, 산출된 시간만큼 퓨얼컷을 실시하면서 재생한 후, 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생하는 것을 특징으로 하는 매연여과필터의 재생 제어방법.
  6. 삭제
  7. 청구항 3에 있어서,
    상기 최고 내부온도가 퓨얼컷 금지영역에 포함된 경우, 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생을 실시하는 것을 특징으로 하는 매연여과필터의 재생 제어방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 퓨얼컷을 중단한 상태에서 재생시, 연료분사량 제어를 통해 공연비를 1로 제어하는 것을 특징으로 하는 매연여과필터의 재생 제어방법.
KR1020190010922A 2019-01-29 2019-01-29 매연여과필터의 재생 제어방법 KR102663658B1 (ko)

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