KR20050071097A - 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 입자상물질 필터(DPF)의 재생 방법에 관한 것으로서, 디젤 입자상물질 필터의 전방에 상류측 배기가스 압력을 검출하여 검출값에 따른 전기적인 신호를 엔진 ECU로 입력하도록 된 하나의 상류측 압력센서만을 설치하고, 엔진 ECU가 이 상류측 압력센서에 의해 실시간 검출되는 압력치를 기저장된 필터 하류측 배기가스 압력 데이터와 비교하여 두 압력간 차가 기설정치에 도달하는 경우 필터의 재생을 수행하도록 함으로써, 상류측 압력센서 하나만으로도 필터의 재생이 가능하고, 결국 종래에 디젤 입자상물질 필터의 후방에 설치되던 하류측 압력센서의 삭제 및 그에 따른 시스템 구성 비용의 절감(와이어링 등 삭제 가능)을 이룰 수 있으며, 종래 문제점에서의 센서 고장 등 요인을 최소화 할 수 있는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법에 관한 것이다.

Description

디젤 입자상물질 필터의 재생 방법{Regeneration method of diesel particulate filter}

본 발명은 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법에 관한 것으로서, 디젤 입자상물질 필터의 전방에 상류측 배기가스 압력을 검출하여 검출값에 따른 전기적인 신호를 엔진 ECU로 입력하도록 된 하나의 상류측 압력센서만을 설치하고, 엔진 ECU가 이 상류측 압력센서에 의해 실시간 검출되는 압력치를 기저장된 필터 하류측 배기가스 압력 데이터와 비교하여 두 압력간 차가 기설정치에 도달하는 경우 필터의 재생을 수행하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차는 형태에 따라 승용차나 버스, 트럭 등으로 분류되지만, 같은 차종이라도 사용하는 연료에 따라서 가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 차량, 디젤을 연료로 사용하는 디젤 차량, 또는 LPG를 연료로 사용하는 LPG 차량으로 분류될 수 있다.

이중 디젤 엔진은 저연비이면서 우수한 신뢰성을 바탕으로 자동차, 선박, 일반 산업용 등 산업 전반에서 용도가 다양하고, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여 수요가 계속 증가하고 있다.

또한, 저연비 차량을 목표로 추진되고 있는 3L 자동차 프로그램(Car Program) 또는 슈퍼카 프로젝트(Super Car Project)에서 디젤 엔진의 채용이 기정 사실화되고 있어 디젤 엔진 차량의 증가가 예상되고 있다.

그러나, 선진 각국에서 이러한 디젤 차량이 총 대기오염의 매우 높은 비율을 차지하여 대기오염의 주범으로 인식되고 있기도 하며, 이에 대응하기 위하여 각국에서는 디젤 엔진의 배기가스 규제를 점차 강화하고 있는 추세이다.

이러한 디젤 차량의 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)에 의해 발생한다.

따라서, 디젤 차량 배기 규제의 주요한 대상물질은 질소산화물과 입자상물질이며, 이의 대응기술로는 연료 분사시기 지연과, 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation)에 의한 질소산화물 농도 저감, 입자상물질을 저감하기 위한 엔진의 연소성능 개선 및 개량에 중점을 두어 연구가 이루어지고 있다.

이와 같이 디젤 차량의 배기 규제의 구체적인 대응책은 엔진의 개량과 후처리 기술로 구분되고 있는데, 우선 디젤 차량의 엔진 개량 기술로는 연료실 개량, 흡기계 개량(터보 차저 + 인터쿨러), 연료분사계 개량(전자제어 고압 연료분사 장치), 배기가스 재순환 장치 등이 적용되고 있거나 개발 중에 있다.

또한, 후처리 기술로는 (1) 입자상물질 중 고비점 탄화수소를 정화하기 위한 산화촉매, (2) 과잉 산소 분위기 하에서 질소산화물을 분해 또는 환원하는 DeNOx 촉매, (3) 입자상물질을 필터로 걸러주는 입자상물질 제거용 필터(Diesel Particulate Filter; DPF) 시스템 등이 있다.

이러한 후처리 기술 중 디젤 입자상물질 필터(DPF)는 배기라인에 설치되어 엔진으로부터 배출된 불연소의 디젤 입자상물질을 트랩(trap)을 이용하여 포집하고, 입자상물질의 발화온도 이상으로 승온시켜 입자상물질을 태우고(재생)하는 기능을 반복 수행하게 된다.

첨부한 도 1은 디젤 입자상물질 필터의 작용 원리를 설명하기 위한 개략도로서, 이에 도시한 바와 같이, 디젤 입자상물질 필터는 전후로 배기가스 입출구가 형성된 하우징 내부에 탄화규소 재질로 만들어진 벌집형 채널구조물을 가지는 필터가 설치된 구조로 되어 있으며, 이 필터에는 입자상물질의 연소온도를 낮추어주는 작용을 하는 촉매가 코팅되어 있다.

상기 필터는 배기가스가 들어가는 입구셀과 나오는 출구셀을 달리하는 구조로 되어 있으며, 배기가스가 필터의 다공성 채널구조물(격벽)을 통과하는 과정에서 기공에 분진 등이 걸러지는 과정을 거치도록 되어 있다.

따라서, 제품 초기에는 배기가스 내의 분진 등을 필터에서 무리 없이 걸러주게 되나 차량이 일정 거리(시간)를 주행한 후에는 도 2에 도시한 바와 같이 채널구조물(11)에 분진(12) 등이 누적됨으로 해서, 배기가스의 흐름을 방해하게 되고, 배압이 상승하게 된다.

이에 디젤 입자상물질 필터에서는 상기와 같이 배기가스의 흐름이 방해되기 전에 분진을 소거해주는 재생 과정을 필요로 하고 있으며, 이러한 디젤 입자상물질 필터의 재생 과정에서는 엔진 ECU가 필터의 재생시점을 판단하여 재생이 필요한 시점에서 연료를 리치(rich)하게 분사시키거나 연료후분사를 실시하는 등 강제 재생 모드를 수행하게 된다.

이때, 종래에는 엔진 ECU가 도 3과 같이 필터(10)의 상류측 배기관(1)과 하류측 배기관(2)에 설치된 두 압력센서(3,4)로부터 입력되는 신호를 실시간 모니터링하여, 필터(10)의 입구측 압력(P1)과 출구측 압력(P2)간 차이(P_dif. = P1 - P2)를 구한 후 이 압력차가 일정 수준 이상으로 올라가는 경우(P_dif. = P_t), 필터의 재생이 요구되는 시점으로 판단하도록 되어 있다.

그러나, 이러한 시스템에서는 고가의 압력센서를 필터의 상류측과 하류측에 모두 설치해야 하는 등 비용 측면에서 바람직하지 않으며, 또한 상기 두 압력센서 중 어느 하나라도 고장이 발생하는 경우 필터의 재생이 불가능하므로 센서 고장에 의한 문제 발생률이 높다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, 엔진 ECU가 상류측 압력센서에 의해 실시간 검출되는 압력치를 기저장된 필터 하류측 배기가스 압력 데이터와 비교하여 두 압력간 차가 기설정치에 도달하는 경우 필터의 재생을 수행하도록 함으로써, 상류측 압력센서 하나만으로도 필터의 재생이 가능하고, 결국 종래에 디젤 입자상물질 필터의 후방에 설치되던 하류측 압력센서의 삭제 및 그에 따른 시스템 구성 비용의 절감(와이어링 등 삭제 가능)을 이룰 수 있으며, 종래 문제점에서의 센서 고장 등 요인을 최소화 할 수 있는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 엔진 시동상태에서 엔진 ECU가 디젤 입자상물질 필터의 전방에 설치된 압력센서로부터 신호를 전송받아 그로부터 필터 상류측의 배기가스 압력을 실시간 모니터링하고, 이 상류측 압력센서에 의해 검출된 압력치를 기저장된 필터 하류측 배기가스 압력 데이터와 비교하여 필터의 재생시점 판단 및 재생을 수행하는 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 엔진 ECU는 주행거리 감지부로부터 주행거리 정보를 입력받아 상기 상류측 압력센서에 의해 검출되는 압력을 현재 주행거리에서의 기저장된 압력 데이터와 비교하여 두 압력간 차가 기설정치에 도달하는 경우 필터의 재생시점인 것으로 판단하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 엔진 ECU는 필터 재생을 수행한 경우, 주행거리 감지부로부터 입력되는 주행거리 정보로부터 현재의 필터 재생 완료 후 다시 주행거리를 계산하여 상기 필터의 재생시점 판단 및 재생을 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법은 기존의 방법과는 달리 엔진 ECU가 디젤 입자상물질 필터의 상류측 배기가스 압력만을 실시간으로 모니터링하고, 이 모니터링하여 얻은 상류측 압력을 기저장된 동일 주행거리의 하류측 배기가스 압력 데이터와 비교하여, 두 압력간의 차이가 일정 수준 이상이 될 경우 필터의 재생시점인 것으로 판단하도록 한 점에 그 주된 특징이 있다.

이러한 본 발명의 재생 방법에서는 상류측 압력센서가 감지한 압력치를 기저장된 압력치와 비교하여 필터의 재생시점을 판단하는 바, 종래와 같이 상류측 및 하류측에 각각의 압력센서를 설치할 필요 없이 상류측 하나의 압력센서 이용만으로도 필터의 재생이 가능하고, 결국 하류측 압력센서의 삭제에 따른 시스템 구성의 비용 절감 및 센서 고장의 발생 빈도를 낮추는 효과가 있게 된다.

물론, 두 개의 압력센서가 아닌 하나의 압력센서의 이용으로 센서 고장의 발생 빈도를 낮출 수 있다는 것은 센서 고장에 의한 필터 재생 불가의 발생 위험을 줄일 수 있음을 의미하는 것이다.

이러한 본 발명의 재생 방법을 첨부한 도면을 참조로 하여 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 4는 본 발명의 재생 방법에서 필터의 재생시점 판단에 이용되는 압력센서의 설치상태를 나타낸 것으로서, 이에 도시한 바와 같이 디젤 입자상물질 필터(10)의 전방 상류측으로 하나의 압력센서(3)가 설치된다.

이 압력센서(3)는 디젤 입자상물질 필터(10)의 상류측 배기가스 압력(P1)을 검출하여 검출값에 따른 전기적인 신호를 엔진 ECU(6)로 입력하도록 되어 있으며, 이 압력센서(3)로는 종래와 동일한 사양의 센서가 이용될 수 있다.

한편, 디젤 입자상물질 필터(10)의 하류측 배기가스 압력 데이터를 엔진 ECU(6)의 데이터 저장부에 미리 입력, 저장할 수 있도록 사전에 하류측의 압력(P2)을 여러번의 시험을 통해 별도로 측정한다.

첨부한 도 5는 디젤 입자상물질 필터의 하류측 배기가스 압력 변화를 나타낸 것으로서, 디젤 입자상물질 필터의 하류측으로 압력센서를 설치하고 실차 상태와 동일한 조건하에 시험을 통하여 얻은 배기가스 압력(P2)의 변화를 그래프 상에 나타낸 것이다.

이러한 압력 변화는 필터의 사용시간(또는 주행거리)에 대하여 약간의 상승 곡선 형태를 보이는데, 실제는 곡선 형태이나, 도 5에 나타낸 것과 같이 거의 무시할 정도로 일직선에 가까우며, 그 압력 변화 자체도 거의 일정하다 할 정도로 크지 않다.

또한, 이러한 디젤 입자상물질 필터의 하류측(cold부) 압력 변화는 동일 사양의 필터 적용시에 머플러의 배기가스 누설(머플러 손상에 따른) 등 특수한 경우를 제외하고는 일정한 경향을 나타낸다.

따라서, 본 발명의 재생 방법에서는 엔진 시동상태에서 엔진 ECU(6)가, 종래 설치되던 하류측 압력센서의 신호를 이용하는 대신, 상류측 압력센서(3)로부터 실시간 검출되는 상류측 압력치(P1)를 미리 입력된 주행거리에 따른 하류측 압력 데이터(P2)와 비교하게 되고, 동일 주행거리에서 두 압력간 차이(P_dif. = P1 - P2)가 일정 수준 이상이 될 경우(P_dif. = Pt), 필터의 재생시점인 것으로 판단하게 된다.

물론, 상류측 압력센서(3)에 의해 실시간 검출되는 압력치(P1)와 비교되어지는 주행거리에 대한 하류측 압력 데이터(P2)는 전술한 바와 같이 시험에 의해 미리 측정되어 ECU 데이터 맵에 입력되어 있어야 한다.

이와 같이 시험에 의해 측정된 후 ECU 미리 입력, 저장된 주행거리에 따른 하류측 압력 데이터는 종래 필터 하류측 압력센서로부터 입력되던 압력 데이터의 역할을 하게 된다.

한편, ECU(6)는 차량에 기설치된 주행거리 감지부(5)로부터 주행거리(마일리지) 정보를 전송받도록 되어 있으며, 동일 주행거리에서 상류측 압력센서로부터 검출된 압력치(P1)를 기저장된 하류측 압력 데이터(P2)와 비교하게 된다.

첨부한 도 6은 본 발명의 재생 방법에서 필터 재생시점의 판단을 설명하기 위한 도면으로서, 채널구조물에 분진 등이 누적됨으로 해서, 이 분진이 배기가스의 흐름을 방해하게 되고, 결국 필터 상류측의 배기가스 압력(P1)은 도시한 바와 같이 곡선 형태를 그리면서 크게 상승하게 된다.

이때, 필터 상류측의 배기가스 압력(P1)은 필터 하류측의 배기가스 압력(P2)에 비해 상대적으로 압력 상승 정도가 크며, 엔진 ECU(6)는 실제 주행 중 상류측 압력센서(3)에 의해 얻어지는 압력치(P1)를 시험에 의해 미리 입력된 현재 주행거리의 하류측 압력치(P2)와 비교하여 두 압력치간 차(P_dif. = P1 - P2)를 구하고, 이 압력차가 기설정치에 도달한 경우(P_dif. = P_t) 재생시점인 것으로 판단하게 된다.

이와 같이 엔진 ECU(6)가 디젤 입자상물질 필터(10)의 재생시점인 것으로 판단한 후에는 종래와 마찬가지로 연료를 리치(rich)하게 분사하여 필터의 재생을 수행하게 된다.

상기와 같이 필터(10)의 재생을 수행한 경우, 엔진 ECU(6)는 주행거리 감지부(5)로부터 입력되는 주행거리 정보로부터 현재의 필터 재생 완료 후 다시 주행거리를 계산하여 전술한 바와 동일한 방법으로 필터의 재생시점 판단 및 재생을 반복 수행하게 된다.

이와 같이 하여, 본 발명에 따른 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법에 따르면, 엔진 ECU가 상류측 압력센서가 감지한 압력치를 기저장된 하류측 압력 데이터와 비교하여 두 압력간 차가 기설정치에 도달한 경우에 필터의 재생을 수행하도록 함으로써, 상류측 압력센서 하나만으로도 필터의 재생이 가능하고, 결국 하류측 압력센서의 삭제에 따른 시스템 구성의 비용 절감 및 센서 고장 등 요인을 최소한으로 줄일 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법에 의하면, 디젤 입자상물질 필터의 전방에 상류측 배기가스 압력을 검출하여 검출값에 따른 전기적인 신호를 엔진 ECU로 입력하도록 된 하나의 상류측 압력센서만을 설치하고, 엔진 ECU가 이 상류측 압력센서에 의해 실시간 검출되는 압력치를 기저장된 필터 하류측 배기가스 압력 데이터와 비교하여 두 압력간 차가 기설정치에 도달하는 경우 필터의 재생을 수행하도록 함으로써, 상류측 압력센서 하나만으로도 필터의 재생이 가능하고, 결국 종래에 디젤 입자상물질 필터의 후방에 설치되던 하류측 압력센서의 삭제 및 그에 따른 시스템 구성 비용의 절감(와이어링 등 삭제 가능)을 이룰 수 있으며, 종래 문제점에서의 센서 고장 등 요인을 최소화 할 수 있는 효과가 있게 된다.

도 1은 통상적인 디젤 입자상물질 필터의 작용 원리를 설명하기 위한 개략도,

도 2는 디젤 입자상물질 필터의 재생전 상태를 나타낸 상태도,

도 3은 디젤 입자상물질 필터의 재생을 위한 종래 압력센서의 설치상태도,

도 4는 본 발명의 재생 방법에 따른 압력센서의 설치상태

도 5는 디젤 입자상물질 필터 하류측의 배기가스 압력 변화를 보여주는 그래프,

도 6은 본 발명의 재생 방법에 따른 필터 재생시점 판단을 설명하기 위한 그래프.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

3 : 상류측 압력센서 5 : 주행거리 감지부

6 : ECU 10 : 디젤 입자상물질 필터

Claims (3)

1. 엔진 시동상태에서 엔진 ECU가 디젤 입자상물질 필터의 전방에 설치된 압력센서로부터 신호를 전송받아 그로부터 필터 상류측의 배기가스 압력을 실시간 모니터링하고, 이 상류측 압력센서에 의해 검출된 압력치를 기저장된 필터 하류측 배기가스 압력 데이터와 비교하여 필터의 재생시점 판단 및 재생을 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 엔진 ECU는 주행거리 감지부로부터 주행거리 정보를 입력받아 상기 상류측 압력센서에 의해 검출되는 압력을 현재 주행거리에서의 기저장된 압력 데이터와 비교하여 두 압력간 차가 기설정치에 도달하는 경우 필터의 재생시점인 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생 방법.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 엔진 ECU는 필터 재생을 수행한 경우, 주행거리 감지부로부터 입력되는 주행거리 정보로부터 현재의 필터 재생 완료 후 다시 주행거리를 계산하여 상기 필터의 재생시점 판단 및 재생을 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤 입자상물질 필터의 재생방법.