KR20060036113A - 내연기관의 배기가스 정화장치용 재생제어장치 - Google Patents

내연기관의 배기가스 정화장치용 재생제어장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따르면, 배기가스 정화장치가 비활성화되는 경우, 입자상 물질이 증가하는 것을 방지하기 위한 재생제어장치가 제공된다. 상기 재생제어장치는, 추정 축적량이 기준 축적량보다 많은 경우, 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질을 제거하기 위한 ECU(70)를 포함한다. 상기 ECU(70)는 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질량을 추정함으로써 상기 추정 축적량을 획득한다. 배기가스온도센서(44)는 배기가스 정화장치의 온도를 검출한다. 상기 ECU(70)는 상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 입자상 물질을 연소시키기 위한 연소가열을 수행하기 위해 배기가스의 공연비를 간헐적으로 감소시킨다. 상기 ECU(70)는 또한 배기가스온도센서(44)에 의해 검출된 온도가 촉매 비활성화 레벨까지 감소되는 경우에 연소가열을 중지시킨다.

Description

내연기관의 배기가스 정화장치용 재생제어장치{REGENERATION CONTROLLER FOR EXHAUST PURIFICATION APPARATUS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 내연기관의 배기가스 정화장치에 축적된 입자상 물질(particulate matter)을 제거하는 재생제어장치에 관한 것이다.
일본국 특개평 공보 제 2002-227688호 및 제 2003-20930호에는, 디젤 엔진의 배기시스템 내에 배치되는 필터(filter)에 입자상 물질(PM)이 축적될 때에 사용되는 기술이 개시되어 있다. 상기 입자상 물질은 상기 필터로부터 연소되어 제거된다.
보다 상세하게는, 배기가스의 공연비(air-fuel ratio)가 풍부한 상태(rich state)와 희박한 상태(lean state) 사이에서 반복적으로 조정되어, 배기가스 정화장치의 온도가 정상적인 정화 동안의 온도보다 높아지도록 한다. 또한, 배기가스의 공연비가 빈약한 상태에 있는 경우에는, 배기가스 정화장치의 촉매로부터 활성 산소(active oxygen)가 해리(release)된다. 이것은 필터 내에 축적된 입자상 물질을 연소시킨다.
이러한 연소 공정(burn-up process)에서는, 배기가스의 공연비가 풍부한 상태에 있는 경우에 짧은 주기의 시간 내에 대량의 연료가 배기가스 안으로 해리된 다. 이에 따라, 배기가스의 온도가 낮은 상태에서 엔진이 작동되는 경우에는 연소 공정이 중지되어야만 한다. 엔진이 정상적으로 작동되는 경우에는, 배기가스의 온도가 낮은 지의 여부를 판정하는데 맵(map)이 사용될 수도 있다. 하지만, 엔진이 작동 전이 상태(operation transition state)에 있는 경우에는, 배기가스 정화장치의 실제 온도가 낮고 촉매가 비활성화 상태에 있을지라도, 상기 맵에 따라 배기가스 온도가 낮지 않다고 판정되는 경우가 있을 수도 있다.
이러한 경우에, 대량의 연료가 짧은 주기의 시간 내에 배기가스 안으로 해리되면, 배기가스 정화장치 내에서 연료가 충분히 연소(산화)되지 않는다. 그 결과, 연료의 불완전 연소로 인하여 대량의 입자상 물질이 필터 내에 더욱 축적될 수도 있다.
본 발명의 일 목적은, 배기가스 정화장치가 비활성화되는 경우에 입자상 물질이 증가하는 것을 방지하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는, 공연비를 갖는 배기가스가 엔진 운전 동안에 배기시스템을 통과하는, 내연기관의 배기시스템에서 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질을 제거하기 위한 재생제어장치이다. 상기 배기가스 정화장치는 촉매를 포함한다. 상기 재생제어장치는, 추정 축적량이 기준 축적량보다 많은 경우, 상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 상기 입자상 물질을 제거하기 위한 가열부(heating section)를 포함한다. 상기 가열부는 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질량을 추정함으로써 상기 추정 축적량을 획득한다. 온도 검출장치가 상기 배기가스 정화장치의 온도를 검출한다. 제어부는 상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 입자상 물질을 연소하기 위한 연소가열(burn-up heating)을 수행하기 위하여, 상기 배기가스의 공연비를 간헐적으로 감소시킨다. 중지부(prohibition section)는 상기 온도 검출장치에 의하여 검출된 온도가 촉매 비활성화 레벨까지 감소되는 경우에 연소가열을 중지시킨다.
본 발명의 또 다른 실시형태는, 공연비를 갖는 배기가스가 엔진 운전 동안에 배기시스템을 통과하는, 내연기관의 배기시스템에서 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질을 제거하기 위한 재생제어장치이다. 상기 배기가스 정화장치는 촉매를 포함한다. 상기 재생제어장치는, 추정 축적량이 기준 축적량보다 많은 경우, 상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 상기 입자상 물질을 제거하기 위한 가열부를 포함한다. 상기 가열부는 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질량을 추정함으로써 상기 추정 축적량을 획득한다. 온도 검출장치가 상기 배기가스 정화장치의 온도를 검출한다. 제어부는 상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 입자상 물질을 연소하기 위한 연소가열을 수행하기 위하여, 상기 배기가스의 공연비를 간헐적으로 감소시킨다. 중지부는 상기 온도 검출장치에 의하여 검출된 온도가 촉매 비활성화 레벨보다 낮은 주기가 중지결정 기준주기보다 긴 경우에 연소가열을 중지시킨다.
본 발명의 또 다른 실시형태는, 공연비를 갖는 배기가스가 엔진 운전 동안에 배기시스템을 통과하는, 내연기관의 배기시스템에서 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질을 제거하기 위한 방법이다. 상기 방법은, 상기 입자상 물질을 연소하기 위한 연소가열을 수행하도록 상기 배기가스의 공연비를 간헐적으로 감소시킴으로써 상기 배기가스 정화장치를 가열하는 단계, 상기 배기가스 정화장치의 온도를 검출하는 단계, 및 상기 검출된 온도를 토대로 연소가열을 중지하는 단계를 포함한다.
본 발명의 기타 실시형태들과 장점들은, 본 발명의 원리들을 예시의 방법으로 설명하는 첨부 도면들과 연계하여 취해진 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은, 그 목적들과 장점들과 함께, 바람직한 실시예들의 상세한 설명을 첨부 도면들과 함께 참조하여 가장 잘 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 차량 디젤 엔진의 제어 시스템을 도시한 개략적인 다이어그램;
도 2는 도 1에 도시된 ECU에 의해 실행되는 재생모드 실행결정의 플로우차트;
도 3은 도 1에 도시된 ECU에 의해 실행되는 재생제어의 플로우차트;
도 4는 도 1에 도시된 ECU에 의해 실행되는 연소가열의 플로우차트;
도 5 내지 도 8은 제1실시예의 재생제어에 대한 타이밍 차트;
도 9는 본 발명의 제2실시예에 따른 재생제어의 일부를 도시한 플로우차트;
도 10은 제2실시예의 재생제어에 대한 타이밍 차트; 및
도 11은 본 발명의 제3실시예에 따른 배기가스 정화장치를 도시한 개략적인 다이어그램이다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관의 배기가스 정화장치용 재생제어장치를 설명한다. 도 1은 차량 디젤 엔진에 적용되는 재생제어장치를 포함하는 제어 시스템의 개략적인 다이어그램이다. 본 발명의 재생제어장치의 적용은 디젤 엔진에 국한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 재생제어장치는 린번 가솔린 엔진(lean-burn gasoline engine)에도 적용가능하다.
디젤 엔진(2)은 제1실린더 내지 제4실린더(#1, #2, #3, #4)를 포함하는 복수의 실린더를 포함한다. 각각의 실린더(#1 내지 #4)에서, 연소실(combustion chamber; 4)은 흡입구(intake port; 8) 및 흡기 매니폴드(intake manifold; 10)를 통해 서지 탱크(surge tank; 12)에 연결된다. 각각의 흡입구(8)는 흡기밸브(intake valve; 6)에 의하여 개폐된다. 상기 서지 탱크(2)는 인터쿨러(intercooler; 14) 및 배기 터보차저(exhaust turbocharger; 16)와 같은 과급장치(supercharger)에 연결된다. 에어 클리너(air cleaner; 18)를 통해 공급되는 신선한 공기(fresh air)는 배기 터보차저(16)의 컴프레서(compressor; 16a)에 의해 압축된다. 상기 서지 탱크(12)는 배기가스 재순환장치(EGR) 통로(20)의 EGR 가스 공급구(20a)를 구비한다. 스로틀 밸브(throttle valve; 22)는 서지 탱크(12)와 인터쿨러(14) 사이의 흡기 통로(intake passage; 13)에 배치된다. 흡기량 센서(intake air amount sensor; 24)와 흡기 온도 센서(intake air temperature sensor; 26)는 컴프레서(16a)와 에어 클리너(18) 사이에 배치된다.
각각의 실린더(#1 내지 #4)에 있어서, 상기 연소실(4)은 배기구(exhaust port; 30)와 배기 매니폴드(exhaust manifold; 32)에 연결된다. 각각의 배기구(30)는 배기 밸브(28)에 의하여 개폐된다. 배기 터보차저(16)의 배기 터빈(exhaust turbine; 16b)은 배기 매니폴드(32)과 배기 통로(34) 사이에 배치된다. 제4실린더(#4)에 근접한 배기 매니폴드(32) 내의 위치로부터 배기 터빈(16b) 안으로 배기가스가 보내진다.
배기가스 정화 촉매를 각각 수용하는 3개의 배기가스 정화기구, 즉 촉매 변환 장치(36, 38, 40)들이 배기 통로(34) 내에 배치된다. 가장 먼 상류에 위치되는 제1촉매변환장치(36)는 NOx 축전 환원촉매(storage reduction catalyst; 36a)를 수용한다. 정상적으로 작동하고 있는 디젤 엔진(2)의 배기가스가 산화 분위기에 있는 경우(희박), NOx는 상기 NOx 축전 환원촉매(36a) 내에 축전된다. 배기가스가 환원 분위기에 있는 경우(화학양론비 또는 공연비가 화학양론적 상태(stoichiometric condition)보다 낮은 경우)에는, NOx 축전 환원촉매(36a) 내에 축전된 Nox가 상기 NOx 축전 환원촉매(36a)로부터 분리되어 NO로 환원되고, HC 및 CO를 이용하여 더욱 환원된다. 이러한 방식으로, NOx가 제거된다.
제1촉매변환장치(36)로부터 하류에 배치되는 제2촉매변환장치(38)는 모놀리식 구조(monolithic structure)를 갖는 필터(38a)를 수용한다. 상기 필터(38a)의 벽들은 배기 통로를 허용하는 세공(pore)들을 구비한다. 상기 필터(38a)의 다공성 벽면은 NOx 축전 환원촉매의 층으로 코팅된다. 상기 필터(38a)는 NOx 축전 환원촉매 층을 위한 베이스(base)로서의 역할을 한다. 상기 NOx 축전 환원촉매층은 상기 NOx 축전 환원촉매(36a)와 동일한 방식으로 NOx를 제거한다. 배기가스 안에 포함된 입자상 물질(PM)은 상기 필터(38a)의 벽에 축적된다. 상기 입자상 물질은 우선 NOx가 비교적 높은 온도 하에 산화 분위기에 노출되는 경우에 해리되는 활성 산소에 의해 산화된다. 그 후, 상기 입자상 물질은 둘러싸고 있는 과잉 산소에 의해 전체적으로 산화된다. 이러한 방식으로, NOx 뿐만 아니라 입자상 물질도 상기 필터(38a)로부터 제거된다. 상기 제1촉매변환장치(36)는 상기 제2촉매변환장치(38)와 일체형으로 형성된다.
가장 먼 하류에 위치되는 제3촉매변환장치(40)는 산화를 통해 HC 및 CO를 제거하기 위한 산화촉매(40a)를 수용한다. 제1배기가스온도센서(44)가 NOx 축전 환원촉매(36a)와 필터(38a) 사이에 배치된다. 필터(38a)와 산화촉매(40a) 사이에는, 제2배기가스온도센서(46)가 상기 필터(38a) 부근에 배치되고, 공연비 센서(48)는 산화촉매(40a) 부근에 배치된다.
상기 공연비 센서(48)는, 예를 들면 고체 전해질(solid electrolyte)을 사용하는 센서이다. 상기 공연비 센서(48)는 배기가스 성분들을 토대로 배기가스의 공연비를 검출하고, 상기 공연비에 정비례하는 전압 신호를 생성한다. 상기 제1배기가스온도센서(44) 및 제2배기가스온도센서(46)는 그 각각의 위치에서 배기가스 온도(thci 및 thco)를 각각 검출한다.
상기 필터(38a)의 상류측과 하류측을 연결하는 파이프에 압력차센서(pressure difference sensor; 50)가 연결된다. 상기 압력차센서(50)는 상기 필터(38a)의 상류측과 하류측 사이의 압력차(△P)를 검출하여, 상기 필터(38a)의 막힘 정도(clogging degree), 다시 말해 상기 필터(38a) 내의 입자상 물질의 축적 정도를 검출하게 된다.
상기 배기 매니폴드(32)는, 상기 제1실린더(#1) 부근에 위치한 또는 배기 터빈(16b) 안으로 배기가스를 보내는 제4실린더(#4)로부터 멀리 위치한 EGR 통로(20)의 EGR 가스 유입구(20b)를 구비한다.
상기 EGR 가스를 리포밍(reforming)하기 위한 스틸 EGR 촉매(52), 상기 EGR 가스를 냉각시키기 위한 쿨러(54) 및 EGR 밸브(56)는 상기 EGR 가스 유입구(20b)로부터 이 순서대로 상기 EGR 통로(20) 내에 배치된다. 상기 EGR 촉매(52)는 또한 상기 쿨러(54)의 막힘을 방지하는 역할도 한다. 상기 EGR 가스 공급구(20a)를 통해 흡기시스템으로 다시 공급될 EGR 가스의 양은 상기 EGR 밸브(56)의 개방 정도에 따라 조정된다.
연료 분사 밸브(58)는 각각의 실린더(#1 내지 #4) 내에 배치되고, 상응하는 연소실(4) 안으로 연료를 직접 분사한다. 각각의 연료 분사 밸브(58)는 연료 공급관(58a)을 통해 공통 레일(60)에 연결된다. 전기적으로 제어되는 가변배출량 연료펌프(62)가 상기 공통 레일(60) 안으로 고압의 연료를 공급한다. 상기 공통 레일(60) 내의 고압 연료는 각각의 연료 공급관(58a)을 통해 상응하는 연료 분사 밸브(58)에 분배된다. 연료 압력 센서(64)는 상기 공통 레일(60) 내 연료의 압력을 검출한다.
상기 연료 펌프(62)는 연료 공급관(66)을 통해 연료 부가 밸브(68)에 저압의 연료를 공급한다. 상기 연료 부가 밸브(68)는 상기 배기 터빈(16b)을 향하여 연료 를 분사하기 위하여 상기 제4실린더(#4)의 배기구(30) 내에 배치된다. 상기 연료 부가 밸브(68)는 촉매 제어 모드에서 배기가스에 연료를 부가한다.
전자 제어 유닛(electronic control unit; ECU)(70)은, CPU, ROM, RAM 및 구동 회로들을 포함하는 디지털 컴퓨터 시스템을 포함한다. 상기 구동 회로는 다양한 유닛들을 구동한다. 상기 ECU(70)에는 흡기량 센서(24), 흡기 온도 센서(26), 제1배기가스 온도센서(44), 제2배기가스 온도센서(46), 공연비 센서(48), 압력차 센서(50), EGR 밸브(56) 내에 포함된 EGR 개방 정도 센서, 연료 압력 센서(64), 스로틀 개방 정도 센서(22a), 엑셀레이터 개방 정도 센서(74), 냉각제 온도 센서(76), 엔진 속도 센서(80) 및 실린더 식별 센서(82)로부터의 검출 신호들이 제공된다. 상기 엑셀레이터 개방 정도 센서(74)는 엑셀레이터 페달(72)의 감압량[엑셀레이터 개방 정도(ACCP)]을 검출한다. 상기 냉각제 온도 센서(76)는 디젤 엔진(2)의 냉각제 온도(THW)를 검출한다. 상기 엔진 속도 센서(80)는 엔진 속도(NE), 또는 크랭크축(78)의 회전 속도를 검출한다. 상기 실린더 식별 센서(82)는 실린더들을 식별하기 위하여 상기 크랭크축(78)의 회전 위상 또는 흡기 캠(intake cam)의 회전 위상을 검출한다.
상기 ECU(70)는 엔진의 구동 상태에 따라 연료 분사 밸브(58)의 연료 분사(양 및 타이밍)를 제어하기 위하여 상기 검출 신호들로부터 상기 엔진의 구동 상태를 결정한다. 상기 ECU(70)는, 상기 EGR 밸브(56)의 개방 정도를 조정하고, 모터(22b)에 의한 스로틀 개방 정도를 조정하며, 연료 펌프(62)의 배출량을 조정하기 위한 제어를 실행한다. 또한, 상기 ECU(70)는 재생모드, 황 성분 분해-해리 모드( 이하, 황 제거 모드라 함), NOx 환원 모드 및 정상 제어 모드를 포함하는 촉매 제어를 실행한다. 상기 촉매 제어를 후술한다.
상기 ECU(70)는 엔진의 구동 상태에 따라, 2가지 연소 모드, 즉 정상 연소 모드 및 저온 연소 모드로부터 선택되는 연소 모드를 실행한다. 저온 연소 모드에서, ECU(70)는 저온 연소 모드용 EGR 밸브 개방 정도 맵을 토대로 대량의 배기가스 재순환량을 이용하여 연소 온도의 증가를 늦춤으로써 NOx 및 매연(smoke)을 동시에 환원시킨다. 상기 저온 연소 모드는, 엔진 상태가 엔진 부하가 낮고 엔진 속도가 느리거나 중간인 범위에 있는 경우에 실행된다. 저온 연소 모드에 있어서, 상기 ECU(70)는 공연비 센서(48)에 의해 검출된 공연비(AF)를 토대로 스로틀 개방 정도(TA)의 조정을 포함하는 공연비 피드백 제어를 실행한다. 상기 저온 연소 모드 이외의 연소 모드는 정상 연소 모드이다. 정상 연소 모드에서는, 상기 ECU(70)가 상기 정상 연소 모드용 EGR 밸브 개방 정도 맵을 토대로 정상 EGR 제어(배기가스의 재순환을 수반하지 않는 제어를 포함함)를 실행한다.
이하, 상기 촉매 제어를 설명한다.
재생모드에서, 상기 ECU(70)는 특히 배기가스 정화 촉매 내의 입자상 물질의 추정 축적량이 기준 축적량에 도달하는 경우에 상기 제2촉매변환장치(38)의 필터(38a) 내에 축적된 입자상 물질을 가열한다. 상기 입자상 물질은 산화 및 분해되도록 가열되어 CO2 및 H2O를 생성하게 되고, CO2 및 H2O로 해리된다[입자상 물질 제거 가열(PM elimination heating)]. 상기 재생모드에서, 상기 ECU(70)는, 공연비가 화 학양론적 공연비(stoichiometric air-fuel ratio)보다 높은 상태에서 고온(예컨대, 600 내지 700℃)으로 촉매층(catalyst bed)을 가열하도록 상기 연료 부가 밸브(68)에 의해 연료를 반복적으로 부가한다. 상기 ECU(70)는 또한 폭발행정 또는 배기행정 동안, 상응하는 연료 분사 밸브(58)에 의해 각각의 연소실(4)에서 연료 분사(후분사)를 수행할 수도 있다. 상기 ECU(70)는 또한 간헐적인 연료 부가 공정을 실행함으로써 연소가열을 실행한다. 상기 간헐적인 연료 부가 공정에 있어서, 상기 ECU(70)는 상기 연료 부가 밸브(68)에 의하여 연료를 간헐적으로 부가한다. 공연비가 화학양론적 공연비보다 약간 낮거나 같게 되는 주기(풍부한 상태) 및 연료가 부가되지 않은 주기가 교대로 반복된다. 소정의 경우들에 있어서, 연료 분사 밸브(58)에 의한 후분사가 상기 간헐적인 연료 부가 공정과 조합하여 수행될 수도 있다. 상기 재생모드는 상기 입자상 물질을 완전하게 태우는(연소) 역할을 한다. 따라서, NOx 축전 환원촉매(36a)의 전방면에서의 입자상 물질 막힘이 제거되고, 상기 필터(38a) 내에 축적된 입자상 물질이 완전하게 연소된다.
상기 황 제거 모드는, NOx 축전 환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 황 성분들에 의해 오염되고 NOx 축전 능력과 같은 그들의 배기가스 정화능력이 저하되는 경우에 실행된다. 상기 황 제거 모드는 상기 NOx 축전 환원촉매(36a) 및 상기 필터(38a)로부터 황 성분들을 분해 및 해리하여, 상기 NOx 축전 환원촉매(36a) 및 상기 필터(38a)에서 황 성분들을 없애고 황 오염으로부터 회복되도록 한다. 상기 황 제거 모드에 있어서, 상기 ECU(70)는 상기 연료 부가 밸브(68)로부터 연료를 반복적으로 부가하여 촉매층을 (예컨대, 650℃로)가열한다. 상기 ECU(70)는, 상기 연료 부가 밸브(68)로부터 연료를 간헐적으로 부가하여, 화학양론적 공연비보다 약간 낮거나 같도록 공연비를 더욱 낮춘다. 상기 황 제거 모드에서는, 연료 분사 밸브(58)를 이용하는 후분사가 실행될 수도 있다.
NOx 환원 모드에서, NOx 축전 환원촉매(36a) 및 필터(38a) 내에 흡장된 NOx는 N2, CO2, H2O로 환원되고, N2, CO2, H2O로 해리된다. 상기 NOx 환원 모드에서, 상기 ECU(70)는 비교적 긴 시간 간격으로 상기 연료 부가 밸브(68)로부터 연료를 간헐적으로 부가하여, 상기 촉매층의 온도가 비교적 낮게(예컨대, 250 내지 500℃) 설정되도록 한다. 이러한 비교적 낮은 촉매층 온도에서, 상기 공연비는 상기 화학양론적 공연비보다 약간 낮거나 같도록 낮아진다.
상술된 3가지 촉매 제어 모드들을 배제하는 촉매 제어가 정상 제어 모드이다. 상기 정상 제어 모드에 있어서, 상기 ECU(70)는 연료 부가 밸브(68)에 의한 연료 추가 및 상기 연료 분사 밸브(58)에 의한 후분사를 수행하지 아니한다.
이하, 상기 재생모드에서 상기 ECU(70)에 의해 실행되는 처리를 설명한다. 상기 재생모드 실행결정을 도시하는 도 2의 플로우차트, 상기 재생제어를 도시하는 도 3의 플로우차트, 및 연소가열을 도시하는 도 4의 플로우차트 각각은 사전설정된 시간 사이클에서 인터럽트(interrupts)로서 실행된다. 도 2의 재생모드 실행결정의 결과는, 도 3의 재생제어를 시작할 지의 여부를 결정한다. 도 3의 재생제어의 결과는 도 4의 연소가열을 시작할 지의 여부를 결정한다.
우선, 재생모드 실행결정(도 2)을 설명한다. 단계 S102에서, 상기 ECU(70) 는, 도 2의 하나의 제어 사이클 동안에 디젤 엔진(2)의 각각의 연소실(4)로부터 방출되는 입자상 물질의 전체량인 입자상 물질 방출량(particulate matter emission amount; PMe)을 산출한다. 상기 실시예에서, 상기 ECU(70)는 실험들을 통해 사전에 생성되는 맵을 참조하여 상기 입자상 물질 방출량(PMe)을 산출한다. 상기 맵은, 예컨대 엔진 속도(NE) 및 엔지 부하(예컨대, 연료 분사 밸브(58)의 연료 분사량)와 상기 방출량을 연관시킨다. 상기 ECU(70)는 상기 엔진 속도 NE 및 상기 엔진 부하로부터 입자상 물질 방출량(PMe)을 산출한다.
단계 S104에서, 상기 ECU(70)는 상기 필터(38a) 내에 축적되거나 포획되는 입자상 물질의 산화량(PMc)을 산출한다. 상기 산화량(PMc)은 상기 공정의 한 제어 사이클 동안에 산화를 통해 제거되는 포획된 입자상 물질의 양이다. 상기 실시예에서, 상기 ECU(70)는 실험들을 통해 사전에 생성되는 맵을 참조하여 산화량(PMc)을 산출한다. 상기 맵은 상기 필터(38a)의 촉매층 온도(예컨대, 제2배기가스온도센서(46)에 의해 검출된 배기가스온도(thco)) 및 흡기량(GA)과 상기 산화량을 연관시킨다. 상기 ECU(70)는 상기 배기가스온도(thco) 및 상기 흡기량(GA)으로부터 산화량(PMc)을 산출한다.
단계 S106에서, 상기 ECU(70)는 수학식 1을 이용하여 추정된 입자상 물질 축적량(PMsm)을 산출한다.
PMsm ← Max[PMsm + PMe - PMc, 0]
수학식 1에서, 우변의 추정 축적량(PMsm)은 상기 공정의 앞선 사이클에서 산 출된 값이다. Max는 괄호 안의 값들의 최대값을 추출하기 위한 연산자를 나타낸다. 예를 들어, PMsm + PMe - PMc 이 양의 값이면, PMsm + PMe - PMc 의 결과적인 값은 상기 수학식의 좌변에서의 추정 축적량(PMsm) 으로 설정된다. PMsm + PMe - PMc 이 음의 값이면, 제로(grams)가 상기 수학식의 좌변에서의 추정 축적량(PMsm) 으로 설정된다.
단계 S108에서, 상기 ECU(70)는 상기 추정 축적량(PMsm)이 재생 기준값(PMstart)보다 크거나 같은 지의 여부를 체크하고, 재생모드를 시작할 지의 여부를 결정한다. 상기 추정 축적량(PMsm)이 재생 기준값(PMstart)보다 작으면(단계 S108에서 NO이면), 상기 ECU(70)는 일시적으로 상기 공정을 종료한다. 상기 추정 축적량(PMsm)이 재생 기준값(PMstart)보다 작은 상태는, 도 4의 타이밍 차트에 도시된 시간 t0 이전의 상태에 해당된다.
입자상 물질 방출량(PMe)이 상기 산화량(PMc)보다 큰 상태가 디젤 엔진(2)의 구동 상태로 인하여 계속되는 경우에는, 단계 S102, S104, S106이 반복된다. 이것은 상기 추정 축적량(PMsm)을 점진적으로 증가시킨다. 하지만, 상기 추정 축적량(PMsm)이 상기 재생 기준값(PMstart)보다 작으면(단계 S108에서 NO이면), 상기 ECU(70)는 일시적으로 상기 공정을 종료한다.
상기 추정 축적량(PMsm)이 증가하여 PMsm ≥ PMstart 를 충족시키면(단계 S108에서 YES이면), 단계 S110에서, 상기 ECU(70)는 재생제어를 시작한다(도 5의 t0). 이 경우, 도 3의 재생제어는 주기적으로(cyclically) 수행된다.
이하, 도 3을 참조하여 재생제어를 설명한다. 상기 ECU(70)는 도 2의 재생모 드 실행결정을 실행한 후에 재생제어를 실행한다. 따라서, 상기 재생제어는 상기 재생모드 실행결정과 동일한 사이클에서 실행된다.
단계 S122에서, 상기 ECU(70)는 상기 추정 축적량(PMsm)이 종료 결정값(PMend)(예컨대, 0 grams)보다 큰 지의 여부를 결정한다. 만일 상기 추정 축적량(PMsm)이 상기 종료 결정값(PMend)보다 크다면(S122에서 YES이면), 단계 S124에서, 상기 ECU(70)는 연료가 현재 연소가열에 간헐적으로 부가되고 있는 지의 여부를 결정한다(간헐적 부가). 간헐적인 부가가 먼저 수행되지는 않는다(S124에서 NO). 따라서, 단계 S125에서, 상기 ECU(70)는 연소 중지 플래그(burn-up prohibition flag; Fx)가 OFF인 지를 결정한다. 상기 연소 중지 플래그는, 상기 재생제어가 상기 재생모드 실행결정 공정의 단계 S110에서 시작될 때에 OFF로 설정된다.
다시 말해, 이 시점에서, 상기 연소 중지 플래그(Fx)는 단계 S125에서 OFF이다(S125에서 YES). 그 후, 단계 S128에서, 상기 ECU(70)는 연소가열을 실행하기 위한 조건들이 충족되는 지의 여부를 결정한다.
상기 ECU(70)는 다음의 조건 (1) 및 (2) 중 어느 하나가 충족되면 연소가열을 수행한다.
(1) 상기 추정 축적량(PMsm)이, 상기 종료 결정값(PMend)(예컨대, 0 grams)보다 약간 큰 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm)보다 작거나 같다(도 5, PMsm ≤ NBUpm).
(2) 상기 비(△P/GA)가 입자상 물질 막힘을 나타내는 기준값보다 크거나 같고, 상기 추정 축적량(PMsm)이, 상기 종료 결정값(PMend)보다 약간 큰 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)보다 작거나 같다(PMsm ≤ NBUpm). 상기 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)은 상기 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm)보다 크다(SBUpm > NBUpm).
조건 (1) 및 (2) 중 어느 것도 충족하지 않으면(S128에서 NO이면), 상기 ECU(70)는 단계 S138에서 입자상 물질 제거 가열을 수행한다. 이 때 실행되는 입자상 물질 제거 가열은 초기에 설정된 정상가열이다. 특별히, 상기 ECU(70)는 상기 연료 부가 값(68)으로부터 연료를 반복적으로 부가하여, 배기가스의 공연비가 화학양론적 공연비보다 높아지고, 촉매층 온도(배기온도(thci))가 (예컨대, 600 내지 700℃로) 증가되도록 한다. 이러한 처리는 입자상 물질 방출량(PMe)이 산화량(PMc)보다 작아지게 한다. 따라서, 상기 추정 축적량(PMsm)이 점진적으로 줄어든다(수학식 1 참조). 이에 따라, 상기 추정 축적량(PMsm)은 도 5에 도시된 바와 같이 시간 t0 이후에 계속해서 감소된다.
이후, 조건 (1)이 충족되면(단계 S128에서 YES이면), 상기 ECU(70)는, 단계 S130에서, 이것이 상기 추정 축적량(PMsm)이 증가될 타이밍인 지를 결정한다. 상기 실시예에서, 조건 (2)가 충족되는 타이밍은 상기 추정 축적량(PMsm)이 증가될 타이밍으로 설정된다. 따라서, 조건 (1)만이 단계 S128에서 충족되면, 상기 ECU(70)는 단계 S130을 NO 라고 결정한다. 단계 S134에서, 상기 ECU(70)는 상기 입자상 물질 제거 가열을 연소가열으로 전환하고(도 5의 t1), 일시적으로 상기 공정을 종료한다. 이러한 방식으로, 상기 ECU(70)는 정상적인 연소으로서 도 4에 도시된 연소가열을 시작한다. 상기 연소가열에서, 사전설정된 회수, 예컨대 3회로 간헐적인 부가를 수행함으로써, 상기 NOx 축전 환원촉매(36a)의 전방면에서의 입자상 물질 막힘 이 제거되며, 상기 필터(38a) 내에 축적된 입자상 물질이 연소된다(t1 내지 t3). 단계 S134에서, 상기 추정 축적량(PMsm)은 정상적인 연소 개시 결정값( NBUpm)보다 작거나 같다. 즉, NOx 축전 환원촉매(36a) 및 필터(38a) 내의 입자상 물질의 양은 비교적 적다. 따라서, 상기 연소가열이 수행되고 입자상 물질이 급속히 연소되더라도 문제들이 발생하지는 않을 것이다.
조건 (2)가 단계 S128에서 충족되면(단계 S128에서 YES이면), 상기 ECU(70)는 이것이 상기 추정 축적량(PMsm)이 단계 S130에서 증가될 타이밍인 지를 결정한다. 단계 S128에서의 결정은 YES가 된다. 상기 ECU(70)는 단계 S132에서 상기 추정 축적량(PMsm)을 증가시킨다. 그 결과, 상기 추정 축적량(PMsm)이 도 6에 도시된 바와 같이 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)보다 커진다. 단계 S134에서, 상기 ECU(70)는 상기 처리를 연소가열으로 전환한다(도 6의 t11). 이러한 방식으로, 연소가열이 특별 연소로서 시작된다. 상기 ECU(70)는 단계 S122가 NO로 결정될 때까지 연소가열을 계속한다. 상기 추정 축적량(PMsm)은 상기 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)보다 작거나 같고, 상기 NOx 축전 환원촉매(36a) 및 필터(38a) 내의 입자상 물질의 양은 비교적 적다. 따라서, 상기 연소가열이 수행되고 입자상 물질이 급속히 연소되더라도 문제들이 발생하지는 않을 것이다.
상기 연소가열을 수행하기 위한 조건이 상기 추정 축적량(PMsm)이 증가된 후에 다시 충족되면(도 6의 t12), 상기 ECU(70)는 단계 S130을 YES로 결정한다. 이에 따라, 상기 ECU(70)는 점선으로 표시된 바와 같이 단계 S132에서 다시 추정 축적량(PMsm)을 증가시킨다. 상기 추정 축적량(PMsm) 증가 공정(S132)이 실행되는 회수는 2번으로 제한된다. 이에 따라, 연소가열 수행 조건이 도 6의 시간 t13에서 3번째로 충족되더라도, 상기 ECU(70)는 단계 S130을 NO로 결정한다.
일단 연소가열이 시작되면, 상기 ECU(70)는, 연소가열 수행 조건이 충족되지 않더라도(S128에서 NO), 즉 예를 들면, 상기 추정 축적량(PMsm)이 상기 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)보다 커지거나, 또는 상기 비(△P/GA)가 입자상 물질 막힘을 나타내는 기준값보다 작아지더라도, 상기 연소가열을 계속한다(S138).
연소가열이 이러한 방식으로 시작되면, 상기 ECU(70)는 단계 S124를 YES로 결정한다. 단계 S126에서, 상기 ECU(70)는 배기온도(thci)의 피크값(Pthc)이 촉매 비활성화 레벨을 나타내는 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 큰 지의 여부를 결정한다.
도 7의 타이밍 차트는, 상기 NOx 축전 환원촉매(36a)가 비활성화되지 않은 예시를 보여준다. 도 7의 예시에서, 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)는, 후술하는 종료결정 기준온도(Athc)와 동일한 값으로 설정된다. 하지만, 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)는, 그것이 NOx 축전 환원촉매(36a)의 비활성화가 결정되도록 할 수 있는 온도인 한, 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)와 동일한 값일 필요는 없다. 상기 피크값(Pthc)이 도 7에 도시된 비활성화 결정 온도보다 크면(S126에서 YES이면), 상기 ECU(70)는 단계 S128로 진행한다. 그 결과, 상기 ECU(70)가 연소가열을 계속한다.
도 8의 타이밍 차트는, NOx 축전 환원촉매(36a)가 비활성화되는 예시를 보여준다. 이러한 방식으로, 상기 피크값(Pthc)이 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 작거나 같으면(S126에서 NO, 도 8의 t37), 상기 ECU(70)는 상기 연소 중지 플래그(Fx)를 단계 S135에서 ON으로 설정한다. 이것은 연소가열에서의 간헐적인 부가를 중지한다. 따라서, 단계 S136에서, 상기 ECU(70)는 상기 처리를 정상가열(normal heating)로 전환한다.
다음 제어 사이클에서, 상기 ECU(70)는 단계 S124를 NO로 결정한다. 상기 연소 중지 플래그(Fx)는 ON 이기 때문에(S125에서 NO), 상기 ECU(70)는 정상가열을 계속한다(S136).
상기 연소가열 또는 상기 정상가열이, 상기 추정 축적량(PMsm)이 상기 종료 결정값(PMend)보다 작거나 같다는 결과를 발생시키면(S122에서 NO), 단계 S140에서, 상기 ECU(70)는 입자상 물질 제거 가열을 중단한다. 이에 따라, 상기 연소가열 또는 상기 정상가열이 중단되고, 재생모드가 종료된다(S142). 상술된 바와 같이, 정상적인 연소 동안, 간헐적인 부가가 사전설정된 회수로 수행된 후에 재생모드가 종료된다.
이하, 도 4의 연소가열을 설명한다. 우선, 상기 ECU(70)는 부가 중지 플래그(Fbucut)가 단계 S152에서 OFF 인 지를 결정한다. 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)가 OFF 이면, 상기 ECU(70)는 상기 연료 부가 밸브(68)로부터 연료를 배기가스에 부가하여, 상기 연료 부가가 여타의 조건들, 예컨대 엔진의 구동 상태로 인하여 중지되지 않으면, 연소가열을 수행하게 된다. 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)가 ON 이면, 상기 ECU(70)는 상기 연료 부가 밸브(68)로부터 연료 부가를 중단한다. 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)가 ON 또는 OFF로 설정되면, 연료가 간헐적으로 배기가스 에 부가되고, 상기 연소가열이 수행된다.
상기 부가 중지 플래그(Fbucut)가 OFF 이면(단계 S152에서 YES이면), 상기 ECU(70)는 연료가 현재 부가되고 있는 지를 결정한다. 이 경우, 단계 S154에서, 상기 ECU(70)는, 상기 ECU(70)의 메모리에 설정되는 부가 주기 계수값(addition period count value; Cud)을 증가(예컨대, 증분)시킨다.
단계 S156에서, 상기 ECU(70)는, 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 최대값(Ut)보다 작은 지를 결정한다. 상기 제어의 초기 단계에서, 상기 부가 주기 계수값(Cud)는 상기 최대값(Ut)보다 작다(S156에서 YES). 단계 S158에서, 상기 ECU(70)는, 상기 NOx 축전 환원촉매(36a)로부터 하류 위치에서 제1배기가스온도센서(44)에 의해 검출된 배기가스온도(thci)가 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)(예컨대, 540℃)보다 낮은 지를 결정한다.
상기 배기가스온도(thci)가 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 낮으면(단계 S158에서 YES이면), 상기 ECU(70)는, 상기 필터(38a)로부터 하류 위치에서 제2배기가스온도센서(46)에 의해 검출된 배기가스온도(thco)가 단계 S160에서 종료 결정 기준 온도(Bthc)(예컨대, 600℃)보다 낮은 지를 결정한다.
상기 배기가스온도(thco)가 상기 종료 결정 기준 온도(Bthc)보다 낮으면(단계 S160에서 YES이면), 상기 ECU(70)는 일시적으로 상기 공정을 종료한다. 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)는 OFF 로 유지되고 상기 연료 부가가 계속된다. 이 상태는 도 7의 타이밍 차트에서 시간 t20 이전의 상태이다.
상기 부가 주기 계수값(Cud)이 최대값(Ut)보다 크거나 같아지기 전에, 배기 가스온도(thci)가 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 높거나 같아지면(S158에서 NO, 도 7의 t20), 상기 ECU(70)는 단계 S162에서 상기 부가 주기 계수값(Cud)을 최대값(Ut)로 설정한다. 상기 ECU(70)는 단계 S164에서 부가 중지 플래그(Fbucut)를 ON으로 설정하고, 일시적으로 상기 공정을 종료한다. 그 결과, 연소가열을 위한 연료 부가가 중단된다.
다음 제어 사이클에서, 부가 중지 플래그(Fbucut)는 ON 이다(S152에서 NO). 상기 ECU(70)는 단계 S166에서 부가 주기 계수값(Cud)을 감소(예컨대, 감분)시킨다. 그 후, 상기 ECU(70)는 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 단계 S168에서 제로보다 작은 지를 결정한다. 상기 제어의 초기 단계에서, 상기 부가 주기 계수값(Cud)은 제로보다 크다(S168에서 NO). 단계 S172에서, 상기 ECU(70)는, 상기 배기가스온도(thci)가 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 낮은 지를 결정한다. 도 7의 시간 t20 직후, 상기 배기가스온도(thci)는 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 크거나 같다(S172에서 NO). 이 경우, 상기 ECU(70)는 상기 공정을 일시적으로 종료한다. 따라서, 연소가열을 위한 연료 부가가 중단되는 상태가 계속된다.
이제, 도 7을 참조하면, 배기가스온도(thci)가 시간 t20 이후에 보다 증가한다. 하지만, 상기 필터(38a)로부터 하류 위치에서 배기가스온도(thco)의 변화는 비교적 작고, 상기 배기가스온도(thco)가 상기 종료 결정 기준 온도(Bthc)보다 낮은 상태가 계속된다.
이후, 상기 배기가스온도(thci)가 감소하여 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 낮아지게 된다(S172에서 YES, t21). 상기 배기가스온도(thco)는 상기 종료 결 정 기준 온도(Bthc)보다 낮고(단계 S174에서 YES), 상기 배기가스온도(thci)는 한번 증가되었다(S176에서 YES). 단계 S178에서, 상기 ECU(70)는 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 제로와 같은 지를 결정한다. 도 7의 예시에서, 상기 부가 주기 계수값(Cud)은 제로보다 크다(S178에서 NO). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S182에서 부가 주기 계수값(Cud)의 감소를 가속화시킨다.
특별히, 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 정상적인 감소 동안에 1만큼 감분되면, 상기 ECU(70)는, 단계 S182이 실행된 후에 제어 사이클들에서 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 제로보다 큰 주기에서 1 보다 큰 값만큼 상기 부가 주기 계수값(Cud)을 증분시킨다.
따라서, 다음 제어 사이클 및 후속 제어 사이클들에서, 상기 부가 주기 계수값(Cud)은, 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 도 7에 도시된 바와 같이 제로보다 큰 주기에서 정상보다 더욱 급속히 감소된다(t21 내지 t22).
이후, 단계 S166, S168, S170, S182에서의 처리는, 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 급속히 제로에 도달하도록 실행된다(도 7의 t22). 이 상태에서, 상기 배기가스온도(thci)는 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 낮고(S172에서 YES), 상기 배기가스온도(thco)는 상기 종료 결정 기준 온도(Bthc)보다 낮으며(S174에서 YES), 단계 S176에서의 결정 결과는 YES이고, 상기 부가 주기 계수값(Cud)은 제로와 같다(S178에서 YES). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S180에서 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)를 OFF 로 설정한다. 그 결과, 상기 ECU(70)는 연소가열을 위한 연료 부가를 시작한다.
다음 제어 사이클에서, 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)는 OFF 이다(S152에서 YES). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S154 내지 S164에서 상기 처리를 실행한다. 도 7의 예시는, 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 최대값(Ut)보다 크거나 같아지기 전에, 상기 배기가스온도(thci)가 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 높거나 같은 경우를 보여준다(t23). 이 경우, 상기 ECU(70)는 단계 S162에서 상기 부가 주기 계수값(Cud)을 최대값(Ut)으로 설정하고, 단계 S164에서 부가 중지 플래그(Fbucut)를 ON 으로 설정한다. 그 결과, 연소가열을 위한 연료 부가가 중단된다.
다음 제어 사이클에서, 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)는 ON 이다(S152에서 NO). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S166 내지 S182에서 상기 처리를 실행한다. 도 7의 예시에서, 상기 배기가스온도(thci)는, 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 제로에 도달하는 때와 동시에 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 낮아지게 된다(t24). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S180에서 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)를 OFF 로 설정하고, 상기 공정을 일시적으로 종료한다. 그 결과, 연소가열을 위한 연료 부가가 개시된다.
다음 제어 사이클에서, 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)는 OFF 이다(S152에서 YES). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S154 내지 S164에서 상기 처리를 실행한다. 도 7의 예시에서, 상기 배기가스온도(thci)는, 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 최대값(Ut)에 도달하는 때와 동시에 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 높거나 같아지게 된다(t25). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S156을 NO로 결정하고, 단계 S162에서 상기 부가 주기 계수값(Cud)를 최대값(Ut)로 설정하며, 단계 S164에서 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)를 ON 으로 설정한다. 그 결과, 연소가열을 위한 연료 부가가 중단된다.
다음 제어 사이클에서, 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)는 ON 이다(S152에서 NO). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S166 내지 S182에서 상기 처리를 실행한다. 도 7의 예시에서, 상기 배기가스온도(thci)는, 상기 부가 주기 계수값(Cud)이 제로에 도달하는 때와 동시에 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 낮아지게 된다(t26). 따라서, 상기 ECU(70)는 단계 S180에서 상기 부가 중지 플래그(Fbucut)를 OFF 로 설정하고, 상기 공정을 일시적으로 종료한다. 그 결과, 연소가열을 위한 연료 부가가 개시된다. 이러한 방식으로, 상기 ECU(70)는 상기 연소가열에서 상기 배기가스에 연료를 간헐적으로 부가한다.
상술된 바와 같이, 도 8은 디젤 엔진(2)으로부터의 배기가스의 온도가 낮고 NOx 축전 환원촉매(36a)가 비활성화되는 상태를 보여준다. 시간 t37에 앞서, 상기 배기가스온도(thci) 의 피크값(Pthc)은 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 크다. 따라서, 상기 ECU(70)는 연소가열에서 간헐적인 부가를 수행한다. 시간 t37로부터, 상기 ECU(70)는 연소가열을 중단하고, 상기 부가 중지 플래그(Fbucut) 및 상기 부가 주기 계수값(Cud)를 그들의 초기 상태로 복귀시킨다.
상기 제1배기가스온도센서(44)는 온도 검출장치(temperature detector)에 상응한다. 재생제어의 단계 S128, S130, S132, S134(도 3) 및 연소가열(도 4)은 제어부(control section)에 의하여 수행되는 처리에 상응한다. 재생제어의 단계 S124, S125, S126, S135, S136(도 3)은 중지부(prohibition section)에 의하여 수행되는 처리에 상응한다. 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm)보다 작거나 같은 범위 및 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)보다 작거나 같은 범위는 연소 실행 범위에 상응한다. 상기 NOx 축전 환원촉매(36a)는 제1배기가스정화기구에 상응하고, 상기 필터(38a)는 제2배기가스정화기구에 상응한다.
제1실시예에 따른 재생제어장치의 장점을 아래에 설명한다.
(1) 재생제어 동안(도 3), 배기가스온도(thci)의 피크값(Pthc)이 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 작거나 같으면(S126에서 NO이면), 상기 ECU(70)는, 상기 NOx 축전 환원촉매(36a)의 온도가 촉매 비활성화 레벨로 감소되었는 지를 결정한다. 이후, 상기 ECU(70)는 단계 S135, S136, S125에서 연소가열을 중지시킨다(도 4). 이에 따라, 촉매 비활성화 동안, 짧은 주기의 시간 내에 배기가스 안으로 대량의 연료가 해리되는 것이 방지된다. 이것은 입자상 물질의 축적량의 예상치 못한 증가를 방지한다.
(2) NOx 축전 환원촉매(36a) 및 필터(38a)를 포함하는 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질을 완전하게 연소시키기 위한 공정이 연소가열이다. 따라서, 연소가열이 항상 수행될 필요는 없다. 이에 따라, 연소 실행 범위는, 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm)보다 작거나 같은 또는 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)보다 작거나 같은 추정 축적량(PMsm)의 범위로 제한된다. 즉, 연소가열은 상기 추정 축적량이 적을 때에만 수행된다. 이에 따라, 배기가스 정화장치의 온도가 촉매 비활성화 레벨까지 감소하고 상기 입자상 물질의 축적량이 축매 비활성화의 결정 때까지 예상치 못하게 증가하는 조건 하에서, 상기 축적된 입자상 물질의 전체량이 최 소화된다.
또한, 대량의 입자상 물질이 갑작스럽게 연소되지 않으면서도, 상기 NOx 축전 환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 과열(overheat)되는 것이 방지된다.
(3) 연소가열이 중지되면, 상기 ECU(70)는 정상가열을 실행한다(S136). 따라서, 상기 필터(38a) 또는 상기 NOx 축전 환원촉매(36a)의 일부가 활성화 레벨 온도에 있다면, 상기 NOx 축전 환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 즉시 가열되고, 입자상 물질 제거에 적합한 온도가 초기 단계에서 복귀된다.
또한, 연소가열은 수행되지 않는다. 따라서, 촉매의 비활성화된 부분을 통과하는 연료의 농도가 낮다. 이것은 상기 입자상 물질 축적량의 예상치 못한 증가를 방지한다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 내연기관의 배기가스 정화장치용 재생제어장치를 설명한다. 제2실시예에서, 상기 ECU(70)는 단계 S126의 결정 대신에 도 9의 결정을 수행한다. 그 이외에, 제2실시예의 재생제어장치는 상기 제1실시예와 동일한 방식으로 구성된다.
간헐적인 부가가 단계 S124에서 연소가열 동안에 수행되고 있다고 결정되면, 상기 ECU(70)는 단계 S202에서 배기가스온도(thci)가 비활성화 온도(Lthc)보다 높거나 같은 지를 결정한다. 만일 배기가스온도(thci)가 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 높거나 같다면(S202에서 YES이면), 상기 ECU(70)는 단계 S204에서 연속적인 시간 계수값(Ct) 을 클리어(clear)하고, 단계 S128로 진행된다(도 3). 이에 따라, 상기 ECU(70)는 연소가열 동안에 간헐적인 부가를 계속한다.
상기 연속적인 시간 계수값(Ct) 은, 상기 재생제어가 상기 재생모드 실행결정 공정의 단계 S110에서 개시될 때에 0 으로 설정된다(도 2).
상기 배기가스온도(thci)가 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 낮으면(S202에서 NO이면), 상기 ECU(70)는 단계 S206에서 연속적인 주기 계수값(Ct) 을 증가시킨다. 단계 S208에서, 상기 ECU(70)는, 상기 연속적인 주기 계수값(Ct)이 중지결정 기준시간(Cx) 보다 작은 지의 여부를 결정한다. 상기 연속적인 시간 계수값(Ct)이 상기 중지결정 기준시간(Cx) 보다 작으면(S208에서 YES이면), 상기 ECU(70)는 단계 S128로 진행된다(도 3). 이에 따라, 상기 ECU(70)는 연소가열 동안에 간헐적인 부가를 계속한다.
상기 연속적인 시간 계수값(Ct)이 단계 S204에서 클리어되지 않으면서도 단계 S206에서 계속해서 증가하면, 상기 연속적인 주기 계수값(Ct)이 점진적으로 증가한다. 상기 연속적인 시간 계수값(Ct)이 상기 중지결정 기준시간(Cx)보다 크거나 같아지게 되면(S208에서 NO이면), 상기 ECU(70)는 단계 S135로 진행된다(도 3). 이것은 연소가열 동안에 간헐적인 부가를 중지시킨다. 따라서, 상기 ECU(70)가 정상가열으로 전환된다.
도 10은 제2실시예에 대한 제어 예시를 보여준다. 시간 t40 및 t41에서, 배기가스온도(thci)는, 상기 연속적인 시간 계수값(Ct)이 상기 중지결정 기준시간(Cx)보다 작은 상태에서 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 높거나 같다(S202에서 YES). 이에 따라, 상기 ECU(70)는 연소가열 동안에 간헐적인 부가를 계속한다. 시간 t42에서, 상기 연속적인 시간 계수값(Ct) 은 상기 중지결정 기준시간(Cx)보다 크거나 같다(S208에서 NO). 따라서, 간헐적인 부가는 연소가열 동안에 중지되고, 상기 ECU(70)는 처리를 정상가열으로 전환한다.
단계 S124, S125, S202 내지 S208, S135 및 S136은 중지부에 의하여 수행되는 처리에 상응한다.
제2실시예의 재생제어장치에 있어서, 상기 ECU(70)는 배기가스온도(thci)를 비활성화 결정 온도(Lthc)와 비교하여, 상기 배기가스온도(thci)가 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 낮은 연속적인 시간을 결정한다. 상기 결정 결과를 토대로, 상기 제1실시예와 동일한 처리가 수행된다. 이에 따라, 상기 제2실시예의 재생제어장치는 상기 제1실시예와 동일한 장점들을 가진다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 내연기관의 배기가스 정화장치용 재생제어장치를 설명한다. 제3실시예에서는, 2개의 촉매변환장치, 즉 도 1에 도시된 제1촉매변환장치와 제2촉매변환장치 대신에 도 11에 도시된 배기가스 정화장치가 사용된다.
상기 배기가스 정화장치는, 베이스 및 상기 베이스 상에 코팅된 NOx 축전 촉매 변환 장치 층을 구비한 필터(138a)를 포함한다. 압력차 센서(150)는 상기 필터(138a)의 상류측과 하류측간의 압력차(△P)를 검출한다. 온도 검출장치로서의 역할을 하는 제1배기가스온도센서(144)는 필터(138a) 내의 배기가스온도(thci)를 검출한다. 제2배기가스온도센서(46), 공연비 센서(48), 제3촉매변환장치(40) 및 산화촉매(40a)는, 상기 제1실시예와 동일한 도면 부호들로 표시된 상기 구성요소들과 동일하다. 여타의 부분들은 상기 제1실시예 또는 제2실시예와 동일하다.
제3실시예의 ECU(70)는, 도 9의 처리 또는 제1실시예나 제2실시예의 재생모드 실행결정(도 2), 재생제어(도 3) 및 연소가열(도 4)을 수행한다. 따라서, 상기 제3실시예의 ECU(70)는 상기 제1실시예나 제2실시예와 동일한 방식으로 기능한다.
상기 제3실시예의 재생제어장치는 도 3의 단계 S126 또는 도 9의 단계 S202의 결정들에 대하여 배기가스온도(thci)를 사용하고, 상기 제1실시예나 제2실시예들과 동일한 장점들을 가진다.
상기 ECU(70)는 상기 필터(138a)의 중간부에서 배기가스온도(thci)를 토대로 촉매 비활성화 레벨을 결정한다. 이에 따라, 상기 ECU(70)는 상기 필터(138a)의 온도가 초기 단계에서 낮은 지의 여부를 결정하고, 상기 입자상 물질 축적량의 예상치 못한 증가를 방지한다.
당업자에게는 본 발명의 기술적 사상이나 범위를 벗어나지 않으면서도, 본 발명이 여타의 다양한 형태로 구현될 수 있다는 것은 자명하다. 특히, 본 발명은 다음과 같은 형태들로 구현될 수도 있다는 점을 이해하여야만 한다.
상기 실시예들 각각에 있어서, 상기 ECU(70)는 부가 밸브(68)에 의하여 연료를 배기가스에 부가함으로써 공연비를 조정한다(정상가열 동안에는 연속적인 부가 그리고 연소가열 동안에는 간헐적인 부가). 연료 부가 대신에 또는 연료 부가에 덧붙여, 상기 공연비를 조정하기 위하여 연료 분사 밸브(58)에 의한 후분사가 수행될 수도 있다.
상기 실시예들 각각에 있어서, 상기 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)은 상기 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm)보다 크다. 하지만, 상기 특별 연소 개시 결정값 (SBUpm)은 상기 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm)과 같거나 또는 상기 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm)보다 작을 수도 있다.
상기 실시예들 각각에 있어서, 상기 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm) 및 상기 특별 연소 개시 결정값(SBUpm)은 상기 종료 결정값(PMend)보다 크다. 그 대신에, 상기 정상적인 연소 개시 결정값(NBUpm) 및 상기 특별 연소 개시 결정값(SBUpm) 중 어느 하나 또는 양자 모두가 상기 종료 결정값(PMend)과 같을 수도 있다.
상기 실시예들 각각에 있어서, 연소가열 동안, 상기 ECU(70)는 연료 부가의 서스펜션(suspension) 및 배기시스템에 대한 연료 부가를 반복하여 배기가스 공연비를 간헐적으로 감소시킨다. 그 대신에, 연소가열 동안, 상기 ECU(70)는 고농도 연료 부가(또는 후분사) 및 저농도 연료 부가(또는 후분사)를 반복하여 공연비를 간헐적으로 감소시킬 수도 있다.
상기 실시예들 각각에 있어서, 상기 배기가스온도(thci) 대신에, 상기 ECU(70)는, 도 3의 단계 S126 또는 도 9의 단계 S202의 결정들에 대하여 제2배기가스온도센서(46)에 의하여 검출되는 필터(38a 또는 138a)로부터 하류 위치의 배기가스온도(thco)를 사용할 수도 있다. 또한, 상기 ECU(70)는 상기 결정들에 대하여 배기가스온도(thci 및 thco) 양자 모두를 사용할 수도 있다.
제1실시예에서, 비활성화 결정 온도(Lthc)는 종료 결정 기준 온도(Athc)와 같다. 도 3의 단계 S126에서, 상기 ECU(70)는 상기 배기가스온도(thci) 의 피크값(Pthc)을 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)와 비교한다. 그 대신에, 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)는 상기 종료 결정 기준 온도(Athc)보다 현저하게 낮은 온도로 설정될 수도 있고, 상기 ECU(70)는 단계 S126에서 상기 배기가스온도(thci)를 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)와 비교함으로써 비활성화를 결정할 수도 있다.
제1실시예에서, 일단 피크값(Pthc)이 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 작거나 같은 것으로 결정되면(도 3, S126에서 NO), 상기 ECU(70)는 연소가열을 즉시 중지한다. 그 대신에, 상기 ECU(70)는, 상기 피크값(Pthc)이 상기 비활성화 결정 온도(Lthc)보다 작거나 같은 것으로 2번 이상 연속해서 결정되는 때에 연소가열을 중지할 수도 있다.
상기 실시예들 각각에 있어서, 연소가열이 중지되면, 상기 중지는 동일한 재생제어 동안에 계속되고, 다음 재생제어가 개시될 때에 중단된다. 그 대신, 상기 ECU(70)는, 정상가열이 배기가스온도(thci)를 충분히 올렸다고 결정할 때에 연소가열을 허용하여, 상기 비활성화 상태를 제거할 수도 있다.
본 예시들과 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 간주되며, 본 발명은 본 명세서에 주어진 상세한 설명에 국한되는 것이 아니라, 첨부된 청구범위의 범위 및 균등론 내에서 수정될 수도 있다.

Claims (11)

  1. 내연기관의 배기시스템에서 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질을 제거하기 위한 재생제어장치에 있어서,
    공연비를 갖는 배기가스는 엔진 운전 동안에 상기 배기시스템을 통과하고, 상기 배기가스 정화장치는 촉매를 포함하며, 상기 재생제어장치는,
    상기 입자상 물질의 추정 축적량이 기준 축적량보다 많은 경우, 상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 상기 입자상 물질을 제거하기 위한 가열부를 포함하되, 상기 가열부는 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질량을 추정함으로써 상기 추정 축적량을 획득하고;
    상기 배기가스 정화장치의 온도를 검출하기 위한 온도 검출장치;
    상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 입자상 물질을 연소하기 위한 연소가열을 수행하기 위하여, 상기 배기가스의 공연비를 간헐적으로 감소시키기 위한 제어부; 및
    상기 온도 검출장치에 의하여 검출된 온도가 촉매 비활성화 레벨까지 감소되는 경우에는 연소가열을 중지하기 위한 중지부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  2. 내연기관의 배기시스템에서 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질을 제거하기 위한 재생제어장치에 있어서,
    공연비를 갖는 배기가스는 엔진 운전 동안에 상기 배기시스템을 통과하고, 상기 배기가스 정화장치는 촉매를 포함하며, 상기 재생제어장치는,
    상기 입자상 물질의 추정 축적량이 기준 축적량보다 많은 경우, 상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 상기 입자상 물질을 제거하기 위한 가열부를 포함하되, 상기 가열부는 상기 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질량을 추정함으로써 상기 추정 축적량을 획득하고;
    상기 배기가스 정화장치의 온도를 검출하기 위한 온도 검출장치;
    상기 배기가스 정화장치를 가열하고 상기 입자상 물질을 연소하기 위한 연소가열을 수행하기 위하여, 상기 배기가스의 공연비를 간헐적으로 감소시키기 위한 제어부; 및
    상기 온도 검출장치에 의하여 검출된 온도가 촉매 비활성화 레벨보다 낮은 동안의 주기가 중지결정 기준주기보다 긴 경우에는 연소가열을 중지하기 위한 중지부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 추정 축적량이 소정의 연소 실행 범위 내에 있는 경우에 연소가열을 실행하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연소 실행 범위는 비교적 작은 추정 축적량에 따라 설정되고, 상기 가 열부는 상기 추정 축적량이 상기 기준 축적량보다 많아 상기 연소 실행 범위로부터 배제되는 경우에 정상가열을 수행하도록 상기 배기가스의 공연비를 연속적으로 낮춤으로써 상기 배기가스 정화장치를 가열하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가열부는, 상기 중지부가 연소가열을 중지하는 경우에 정상가열을 수행하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기가스 정화장치는, 상기 배기시스템 내에 배치된 제1배기가스정화장치 및 상기 제1배기가스정화장치로부터 하류에 배치된 제2배기가스정화장치를 포함하고,
    상기 온도 검출장치는, 상기 제1 및 제2배기가스정화장치 사이의 배기가스온도 및 상기 제2배기가스정화장치의 하류측에서의 배기가스온도 중 하나 이상을 상기 배기가스정화장치의 온도로서 검출하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 온도 검출장치는, 상기 배기가스정화장치의 중간부에서의 온도 및 상기 배기가스정화장치의 하류측에서의 배기가스온도 중 하나 이상을 상기 배기가스정화장치의 온도로서 검출하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  8. 내연기관의 배기시스템에서 배기가스 정화장치 내에 축적된 입자상 물질을 제거하기 위한 방법에 있어서,
    공연비를 갖는 배기가스는 엔진 운전 동안에 상기 배기시스템을 통과하고, 상기 방법은,
    상기 입자상 물질을 연소하기 위한 연소가열을 수행하도록 상기 배기가스의 공연비를 간헐적으로 감소시킴으로써 상기 배기가스 정화장치를 가열하는 단계;
    상기 배기가스 정화장치의 온도를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 온도에 의거하여 연소가열을 중지하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 연소가열을 중지하는 단계는, 상기 검출된 온도가 소정의 온도보다 낮거나 같은 경우에 연소가열을 중지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 연소가열을 중지하는 단계는, 상기 검출된 온도가 소정의 온도보다 낮거나 같은 동안의 주기에 의거하여 연소가열을 중지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제8항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 배기가스 정화장치의 온도를 검출하는 단계는, 상기 배기가스 정화장치를 통과하는 상기 배기가스의 온도를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
KR1020067002376A 2004-03-11 2005-03-10 내연기관의 배기가스 정화장치용 재생제어장치 KR100742761B1 (ko)

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