KR20060117947A - 입자 여과 장치의 재생을 제어하기 위한 방법 - Google Patents

입자 여과 장치의 재생을 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

엔진의 작동 동안 디젤 엔진(1) 오일 중의 연료 희석율 변화를 추정하는 방법에 따르면, 희석율(DQc) 변화는 각 연소 챔버(15)에서의 연료 분사 조건의 함수이다. 본 발명은 입자 여과 장치(3)의 재생 제어를 결정하는 데 사용된다.

Description

입자 여과 장치의 재생을 제어하기 위한 방법{METHOD FOR CONTROLLING THE REGENERATION OF A PARTICULATE FILTER}
본 발명은 차량의 엔진 변속 유닛에 장착된 입자 여과 장치의 재생을 위한 제어 방법에 관한 것이다.
희박 혼합기 엔진, 특히 디젤 엔진에서의 연소 공정은 이질적이기 때문에 엔진 중에서 효율적으로 연소될 수 없는 탄소 입자가 생성되게 된다. 이것은 예컨대 배기 라인 출구에서 검은 연기의 발생을 초래한다. 이러한 현상은 감소시키고자 하는 오염의 원인이다.
엔진의 배기 라인에 입자 여과 장치가 있으면 대기로 방출되는 미립자, 먼지 및 그을음의 양을 상당히 감소시켜 오염 방지 규정을 만족시킬 수 있다.
재생 장치는 여과 장치내에 포집된 미립자를 주기적으로 연소시켜 여과 장치가 막히는 것을 방지할 수 있다. 그을음 입자는 주로 탄소 원자이며 연소시 산소를 소모하여 탄소 가스를 형성한다.
이로써 입자 여과 장치 내부의 온도가 550 내지 650℃ 정도까지 상승되며, 이 온도로부터 여과 장치내 보유된 탄소 입자는 자발적으로 연소된다.
여과 장치의 재생 개시는, 재생이 일어나야 하는지 여부, 재생중일 경우에는 재생이 계속될지 여부를 결정하는 연산 장치에 의하여 제어된다. 이를 위하여, 연산 장치는 차량의 작동에 대한 정보를 입력 받는다. 이러한 정보에는 예컨대 엔진 냉각액의 온도, 입자 여과 장치의 상류 및 하류에서의 가스의 온도, 차량의 속도, 입자 여과 장치내에 축적된 그을음 질량 및 최종 재생 이후로 주행한 거리가 포함된다.
연산 장치는 이러한 정보에 대한 조건을 확인하고 모든 조건을 만족하면 재생을 개시한다. 어떤 조건이 소정 임계치 이하의 동안, 1분 내지 2분 정도 만족되지 않을지라도 재생은 유지된다. 적어도 하나의 조건이 상기 임계치를 초과하는 기간 동안 만족되지 않을 경우 재생 공정은 중단된다.
재생을 개시 및 유지하기 위하여, 엔진의 작동 조건을 변경하여 배기 가스가 입자 여과 장치를 통과하기 전에 배기 가스의 온도를 높인다. 이러한 변경은 연료 분사에 관한 경우가 빈번하며, 연료 분사는 적어도 하나의 엔진 연소 챔버에 대하여 지연될 수 있다. 마찬가지로 어떤 경우에는, 팽창기의 최종 단계 동안 연료의 후분사를 실행한다. 후분사는 엔진에 보충적인 기계적 동력을 전혀 공급하지 않지만, 배기 가스의 온도를 상승시킨다. 이러한 변경은 연료 소모를 증가시키고, 또한 피스톤과 실린더 사이의 공간을 통과하면서 엔진 오일 중에 용해되는 연료의 양을 증가시킨다.
입자 여과기 및 촉매 포트의 기능을 통합한 새로운 촉매 입자 여과 장치에서는, 전체 재생 기간 동안 여과 장치에 포집된 그을음의 연소가 가능한 조건을 유지해 주어야 한다. 따라서, 전체 재생 기간 동안 상기 언급한 문제점들이 지속된다. 게다가, 자연적으로는 배기 가스에 열이 거의 전달되지 않는 어떤 엔진 작동 조건에서는 상기 문제점들이 가중된다.
엔진 오일 중 희석된 연료의 양이 증가하면 실질적으로 엔진이 열화될 수 있는 지점까지 오일의 특성이 변화될 수 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 엔진 오일 중의 연료 희석율을 파악하여 이러한 희석이 허용 한계를 넘을 경우 재생을 방해할 수 있는 방법을 제안하는 것이다.
이러한 목적과 더불어, 본 발명은 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법을 목적으로 한다. 본 발명에 따르면, 희석율 변화는 각 연소 챔버에서의 연료 분사 조건의 함수이다.
본 발명가는 오일 중 연료 희석에 가장 많이 영향을 주는 파라미터가 연료 분사 조건임을 확인하였다. 이러한 조건을 고려하면, 엔진 오일 중의 연료 희석율을 최선의 상태로 추정할 수 있다.
바람직하게는, 희석율 변화는 하나의 사이클에 대하여 연소 챔버들에서의 분사 단계의 수; 각 분사 단계에 대하여, 분사되는 연료의 양 및 분사 동안 연소 챔버내 피스톤의 위치; 및 연료의 공급 압력과 같은 파라미터의 함수이다. 이렇게 모든 분사 단계 및 이들의 개개의 파라미터들이 고려된다.
특히, 희석율 변화는 수율이 정상 분사에 대하여 떨어지는 지연 분사 단계 및 엔진의 동력 공급에 전혀 관여하지 않는 후분사 단계에 대하여 산출된다. 재생을 제어하기 위하여 이러한 작동 유형이 빈번히 사용된다. 후분사 단계는 예컨대 공기의 유량 또는 유입 공기의 압력에 의해서 평가되는 엔진 충전에만 기초하는 일정 추정 방법들과는 대조적으로 고려된다.
재생 모드에 따르면, 각 분사 단계에 대한 계수를 산출하며, 이러한 계수는 상기 단계 동안의 연료 유량 및 상기 분사 단계가 개시될 때의 크랭크축의 각 위치의 곱에 해당하는 승수항(乘數項), 및 연료의 공급 압력에 해당하는 제수항(除數項)을 포함하며, 희석 변화율은 모든 분사 단계에 대한 상기 계수들의 합의 함수이다. 본 발명자는 이들 계수가, 각 분사 단계가 오일 중의 연료 희석율 변화에 기여하는 것을 유효하게 나타낼 수 있음을 확인하였다.
특히, 지연 분사 계수는 지연 분사 및 정상 분사 사이에 분사된 연료량의 변화율에 해당하는 변화율에 해당하는 승수항을 더 포함하며, 후분사 계수는 후분사의 분사된 연료량과 지연 분사의 분사된 연료량의 비에 해당하는 승수항을 더 포함한다.
바람직하게는, 희석율 변화는 모든 분사 단계에 대한 상기 계수들의 합이 영향 임계치 미만일 때만 연속 함수이며, 상기 영향 임계치 이상으로 보정된다. 본 발명자는 이러한 함수가, 희석율 변화를 일련의 측정치와 비교함으로써, 이것을 유효하게 나타낸다는 것을 확인하였다.
본 발명은 또한 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 추정 방법을 목적으로 하며, 희석율은 상기한 바와 같이 시간에 대한 추정 희석율 변화의 적분이다.
본 발명은 또한, 엔진 및 배기 가스의 입자를 포획하기 위한 엔진 배기 가스 수용 입자 여과기를 구비하며 필요할 경우 입자 여과기의 재생을 위하여 엔진을 제어하고 정보를 처리하는 자동화 시스템의 제어 방법을 목적으로 하며, 이 방법은 상기한 엔진 오일 중의 연료 희석율 추정 방법에 의하여 오일 중의 연료 희석율을 추정하며, 희석율의 추정이 소정 희석 임계치 미만일 경우 재생을 허용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 첨부 도면을 참조로 개시된 이하의 설명으로 보다 잘 이해될 것이며 또다른 특징 및 이점이 드러날 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 자동화 시스템의 개략도이다.
도 2는 상이한 연료 분사 모드의 시간 다이어그램이다.
도 3은 입자 여과 장치의 재생 제어의 흐름도이다.
도 4는 계수들의 합의 함수로서 희석율 변화를 나타낸 그래프이다.
본 발명에 따른 방법을 이용하고 도 1에 도시된 자동화 시스템은 터보컴프레서(2)에 의하여 과급되는 디젤형 엔진(1)을 구비하므로 배기 가스는 촉매 입자 여과 장치(3)에 의하여 처리된다. 엔진(1)은 에어 스쿠프(11), 터보컴프레서(2)의 컴프레서(12), 역류 도관(13) 및 엔진(1)의 연소 챔버들(하나의 챔버(15)만이 도시되어 있음)로 통하는 유입관(14)을 구비하는 공기 회로에 의하여 공기를 공급받는다.
연소에 의하여 생성되는 배기 가스는 배기관(16)에 의하여 챔버(15)로부터 터보컴프레서의 터빈(17)을 지나서 촉매 입자 여과 장치(3)로 배출된다. 배기 가스 재순환 회로는 배기관 상의 하강관(18), 냉각기(20)를 통과하거나 직접 도관(21)을 통과하여 역류 도관으로 배기 가스를 향하게 하는 선택 밸브(19)를 구비한다.
연산 장치(24)는 엔진(1) 제어 및 자동화 시스템의 작동에 대한 정보를 입력 받는다. 특히 엔진에서 연류 분사가 실시되는 조건을 결정한다. 도 2를 참조하면, 분사의 시간 다이어그램은 3가지 상이한 상태로 도시된다. 다이어그램은 가로 좌표가 크랭크축의 각 위치(ψ)를 나타내고 제로는 소정 연소 챔버에 대한 상사점(PMH)에서의 피스톤의 위치를 나타낸다.
정상 분사시 재생 명령이 없을 경우, 분사는 2회, 즉 전분사(pre-injection)(51) 및 이어서 주분사(principle injection)(52)로 실시된다. 주분사(52)는 일반적으로 상사점에 도달하기 전에 크랭크축의 ψin 위치에서 개시된다.
재생 명령이 있을 경우, 분사는 지연되지만 항상 전분사(27) 및 이어서 주분사(28)를 포함한다. 주분사(28)는 일반적으로 상사점에 도달한 후 크랭크축의 ψir 위치에서 개시된다. 배기 가스의 온도를 더 올릴 필요가 있다면, 후분사(29)를 실시한다. 후분사(29)는 크랭크 축의 ψip 위치에서 개시된다.
연산 장치(24)는 재생이 조절되어야 하는지 여부를 결정한다. 이를 위하여, 일정 기준(criteria)을 만족하는지 확인한다. 모든 기준을 만족할 경우, 재생 제어 신호가 전달된다. 연산 장치는 적어도 하나의 조건이 더이상 만족되지 않게 된 후에 소정 기간 동안 재생 제어 신호를 유지한다. 여러 기준 중에서도, 연산 장치는 엔진 오일 중의 연료 희석율(Pdil)에 대한 기준을 고려한다. 희석율은 연산 장치에 의하여 추정되며, 희석율(Pdil) 추정이 소정 희석 임계치(Sdil)을 초과할 경우, 기 준은 더이상 만족되지 않는 것이다. 희석율 추정에 대하여는 이하에서 개시된다.
이러한 기준의 작성을 위하여는, 도 3의 흐름도를 참조한다. 개시 단계(30)에서, 희석율(Pdil)의 추정은 제로(null)값에서(오일이 새로울 경우) 또는 추정 및 저장된 소정 값에서 개시된다. 테스트 단계(31)에서, 어떤 재생도 진행되고 있지 않을 경우에는 단계(32)로 가고 또는 반대의 경우에는 단계(33)으로 간다.
단계(32) 동안, dPdil항은 오일 중 함유된 연료의 증발 함수(Fevap)와 경과 시간(dt)의 곱의 역에 의하여 산출된다. 함수(Fevap)는 저장된 카르토그래피로부터 회전 속도(N) 및 연료의 유량(Qc)의 함수로서 산출된다.
단계(33) 동안, dPdil항은 희석율 변화(DQc)와 시간 변화(dt)의 곱에 의하여 산출된다. 희석율 변화(DQc)는 연료 주입 특성치로부터 이하의 본 발명에 따른 방법에 따라 산출된다.
단계(32) 또는 (33)의 평가 후, 새로운 희석율[dPdil(n)]은 앞의 희석율과 시간 변화의 곱[dPdil(n-1)]에 dPdil항을 더하여 산출한다. 이렇게 희석율 변화(DQc)를 수치적으로 적분한다.
단계(35) 및 (36)에서 희석율이 마이너스가 되지 않도록 한다. 이어서, 단계(37)에서 희석율(Pdil)을 소정 희석 임계치(Sdil)와 비교하여, 이것이 크면 기준을 만족하지 않는 것으로 재생이 금지된다(단계 38). 반대의 경우, 재생이 허용된다(단계 39).
단계(40)에서는, 단계(31)로 되돌아가 새로운 연산 단계를 진행하기 전에 시간 변화(dt)의 경과를 기다린다.
희석율 변화(DQc)는 하기 식에 따라 산출된다:
Figure 112006033322823-PCT00001
상기 식에서,
Cir은 지연 분사 계수이고;
Cip는 후분사 계수이며;
Sc는 소정 영향 임계치이고;
a는 비례 계수이다.
도 3의 그래프는 C=Cir+Cip인 함수를 나타낸다. 지연 분사 계수는 하기 식에 의하여 정의된다:
Figure 112006033322823-PCT00002
상기 식에서,
Dir-in은 지연 분사 및 정상 분사 사이에서의 분사 유량 변화율이고;
ψir은 지연 분사가 개시되었을 때의 소정 연소 챔버의 피스톤 상사점에 대한 크랭크축의 각 위치이며;
Qir은 지연 분사 단계 동안 주입된 연료의 양이고;
Pc는 분사기에 연료를 공급하는 공통 램프의 압력이다.
후분사 계수는 하기 식에 의하여 정의된다:
Figure 112006033322823-PCT00003
상기 식에서,
Dir-ir은 지연 분사의 유량에 대한 후분사의 유량의 비이고;
Qip는 후분사 단계 동안 주입된 연료의 양이며;
ψip는 후분사가 개시되었을 때의 크랭크축의 각 위치이다.
이들 방정식은 이들 방정식의 결과와 작동 시험의 결과를 비교하여 확인하였다. 엔진 오일 중의 연료 희석율은 1시간 동안 일정한 조건에서 엔진을 작동시킨 후 측정하였다. 희석율의 측정은 예컨대 크로마토그래피에 의하여 실행된다. 비례 계수 및 영향 임계치를 통계적으로 결정한 후에, 측정 결과를 가지고 시뮬레이션을 86%로 보정한다.
본 발명에 따른 방법은, 연소 챔버들이 동일한 방식으로 제어될 경우 모든 연소 챔버에 적용될 수 있고 또는 특정 주입 조건이 특정 연소 챔버들에만 적용될 경우 개별적으로 적용될 수 있다.

Claims (8)

  1. 엔진(1)의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법으로서,
    희석율 변화(DQc)는 연소 챔버들(15) 각각에서 하기 파라미터, 즉
    - 하나의 사이클에 대한, 연소 챔버(15)에서의 분사(injection) 단계의 수;
    - 각 분사 단계에 대하여, 분사된 연료의 양(Qin, Qir, Qip) 및 분사 동안 연소 챔버(15)내 피스톤의 위치(ψin, ψir, ψip)
    의 함수이며,
    희석율 변화는 또한 연료 공급 압력(Pc)의 함수인 것을 특징으로 하는 것인 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 희석율 변화(DQc)는, 수율이 정상 분사(normal injection)(25, 26)에 대하여 떨어지는 지연 분사(retarded injection) 단계(27, 28) 및 엔진 동력 공급에 관여하지 않는 후분사(post-injection) 단계(29)에 대하여 산출되는 것인 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 분사 단계에 대한 계수를 산출하며, 상기 계수(Cir, Cip)는 상기 단계 동안 분사되는 연료의 양(Qir, Qip)과 상기 분사 단계가 개시될 때의 크랭크축의 각 위치(angular positon)(ψir, ψip)의 곱과 같은 승수항(乘數項), 및 연료 공급 압력(Pc)과 같은 제수항(除數項)을 포함하며, 희석율 변화(DQc)는 모든 분사 단계에 대한 상기 계수들(Cir, Cip)의 합(C)의 함수인 것인 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법.
  4. 제3항에 있어서, 지연 분사 계수(Cir)는 지연 분사(Qir) 및 정상 분사(Qin) 사이에 분사되는 연료량 변화율과 같은 승수항(Dir-in)을 더 포함하는 것인 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법.
  5. 제3항에 있어서, 후분사 계수(Cip)는 후분사(Qip)의 분사 연료량과 지연 분사(Qir)의 분사 연료량의 비와 같은 승수항(Dir-ip)을 더 포함하는 것인 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법.
  6. 제3항에 있어서, 희석율 변화는, 모든 분사 단계에 대한 상기 계수들(Cir, Cip)의 합(C)이 영향 임계치(influence threshold)(Sc) 미만일 때만 연속 함수이며, 상기 영향 임계치(Sc) 이상으로 보정되는 것인 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법.
  7. 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율(Pdil) 추정 방법으로서, 희석율은 제1항 내지 제6항에 따른 추정된 희석율 변화(DQc)의 시간에 대한 적분인 것인 엔진의 작동 동안 디젤 엔진 오일 중의 연료 희석율 변화 추정 방법.
  8. 엔진(1) 및 배기 가스의 입자를 포획하기 위한 엔진(1) 배기 가스 수용 입자 여과기(3)를 구비하며 필요할 경우 입자 여과기(3)의 재생을 위하여 엔진(1)을 제어하고 정보를 처리하는 자동화 시스템의 제어 방법으로서, 제7항에 따른 방법에 의한 오일 중의 연료 희석율(Pdil)을 추정하며 희석율(Pdil)의 추정이 소정 희석 임계치(Sdil) 미만일 경우 재생을 허용하는 것을 특징으로 하는 자동화 시스템의 제어 방법.
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