KR20070090216A - 자동차 디젤 엔진의 입자 필터의 재생 단계를 중지시키는방법 및 장치 - Google Patents

자동차 디젤 엔진의 입자 필터의 재생 단계를 중지시키는방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자동차 디젤 엔진의 입자 필터(30)의 재생 단계를 중지시키는 장치로서, 재생 단계의 전개가 시작된 이후 제거된 그을음량을 평가하는 수단(31, 32, 33, 34)을 포함하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은, 재생 단계 과정에서 나타난 오일의 디젤 연료 희석도를 나타내는 수치를 평가하는 수단(55); 희석도를 나타내는 수치와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링하는 수단(55)을 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 모니터링하는 수단(55)은 상기 비율의 변화와 관련된 소정의 기준(66)에 도달하였는지를 식별할 수 있고, 상기 소정의 기준(66)에 도달하였을 때 재생 단계의 중지를 개시할 수 있다.

Description

자동차 디젤 엔진의 입자 필터의 재생 단계를 중지시키는 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR STOPPING A REGENERATION PHASE OF A PARTICLE FILTER OF A MOTOR VEHICLE DIESEL ENGINE}
본 발명은 입자 필터를 장착하는 디젤 엔진에 관한 것이고, 보다 구체적으로는, 그러한 입자 필터에 적용되는 재생 절차의 중지를 명하는 것에 관한 것이다.
디젤 엔진은 그것이 작동하는 특정 방식을 통해, (무엇보다도) 배기 가스 내에서 입자로도 알려진 해로운 그을음(soot)을 배출한다.
주변으로 이들 입자가 배출되는 것을 제한하기 위해, 입자 필터가 배기 시스템에서 엔진 연소 챔버의 하류에 설치된다. 이러한 필터는 엔진이 가동되는 동안 필터 내부에 축적되는 입자를 포집한다. 이러한 입자의 축적은 결국 필터를 막히게 하고, 엔진 배기부에서 높은 배압을 생성하며, 즉, 배기 시스템을 통과하는 가스의 경로에 장애물을 만들게 된다. 그 후 디젤 엔진은 성능이 현저히 감퇴된다.
엔진의 성능을 회복시키기 위해, 입자 필터에 포함된 입자가 연소된다. 이러한 절차는 입자 필터의 재생으로 알려져 있다.
필터 내의 입자의 연소는 입자 필터의 내부 온도를 증가시킴으로써 개시되며 지속된다.
이를 수행하는 일반적 방법은 연료의 다중 분사를 수행하는 것으로, 즉, 종래의 디젤 연료 분사에 추가적으로 적어도 하나의 분사를 추가하는 것이다. 예컨대, 엔진 연소 챔버로의 지연된 분사가 소개되며, 즉, 디젤 연료는 팽창 단계 과정에서 엔진 싸이클의 상사점(TDC; Top Dead Center) 이후에 분사된다. 이는 배기 가스의 온도, 따라서 입자 필터 내의 온도를 높이는 효과를 가진다.
후 분사(late injection)의 원리도 공지되어 있다. 이는 상사점 이후에 디젤 연료를 분사하는 것을 포함하고, 따라서, 디젤 연료는 연소 챔버에서가 아니라 촉매부로 알려진 배기 시스템의 일부분에서 거기서 발생하는 자연 연소의 결과로 연소한다. 예컨대, 이러한 촉매부는 입자 필터의 상류에 위치한 산화 촉매, 또는 그 대안으로 입자 필터 내의 플래티늄과 같은 단순한 촉매재로 구성된다. 이들 촉매가 위치하는 곳에서 후 분사물의 구성요소인 HC 및 CO가 산화되고, 가스의 온도를 증가시킨다.
이러한 입자 필터 재생 작업은 주기적으로 필터 내의 입자의 양이 과도해지는 순간에 수행된다. 이러한 재생은 엔진 작동중 사용자가 알아채지 못한채 일어난다.
재생 과정 동안에 수행되는 다중 분사는 디젤 연료에 대한 엔진 윤활유의 희석도를 상당히 증가시킨다.
따라서, 상사점 이후 오랜 시간 동안 수행되는 후 분사는 노출된 실린더의 넓은 영역에 걸쳐 디젤 연료를 분무한다. 이러한 상황은 분사된 디젤 연료와 실린더의 벽에 함께 덮여 있는 오일의 혼합을 상당히 촉진하여 "희석" 현상을 야기한 다.
지연 분사(retarded injection)의 경우도 동일하다. 이러한 디젤 연료의 지연 분사는 상사점 이후에 수행되고, 또한 더 긴 시간 동안 수행된다. 따라서, 이 경우 다시 분사된 디젤 연료의 분사물이 실린더의 벽에 바로 도달하여 실린더의 벽을 덮는 오일과 혼합될 가능성이 있다.
희석이 과도해질 때, 오일은 더 이상 적절한 윤활성을 가지지 못하고, 엔진 손상의 위험성이 발생한다.
이러한 이유로, 재생 절차는 최소의 정도까지 오일을 희석시키기 위해 가능한 한 짧아야 하나, 동시에 가능한 한 충분히 필터를 재생시켜야 한다.
현재 이용되는 방법은 완전 재생(full generation)으로 일컬어지는 재생을 이용하고 있다. 즉, 재생 절차는 입자 필터가 더 이상 어떠한 가연성 입자도 포함하지 않을 때 중지된다.
현재, 입자 필터가 상당히 채워졌을 때 보다 입자 필터가 거의 비어있을 때 일정한 그을음량을 태우는 데 훨씬 더 많은 에너지가 소요된다고 알려져 있다.
즉, 실질적으로 청결한 필터보다 채워진 필터에서 그을음이 더욱 쉽게 연소된다.
본 발명의 목적은 재생 목적을 위해 챔버에 분사되는 디젤 연료의 소모를 제한하는 방식으로 제어되는 부분 재생을 실행하는 입자 필터를 재생시키는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
따라서, 관련된 목적은 재생에 의해 야기되는 희석을 제어하는 것이다.
본 발명의 보다 일반적인 목적은 엔진이 부드럽게 작동하도록 유지하는 재생 방법 및 수단을 제공하는 것이다.
이러한 목적은 자동차 디젤 엔진의 입자 필터의 재생 단계를 중지시키기 위한 장치에 의한 본 발명에 의해 달성되고, 이는 재생 단계가 시작되어 진행된 이후 제거된 그을음량을 평가하는 수단을 포함한다. 이 장치는, 재생 단계가 진행되는 동안 나타나는 오일의 디젤 연료 희석도를 나타내는 수치를 평가하는 수단, 및 희석도를 나타내는 수치와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링하는 수단을 포함하고, 상기 모니터링하는 수단은 이러한 비율의 전개와 관련된 소정의 기준에 도달하였는지를 식별할 수 있고, 이러한 소정의 기준에 도달하였을 때 재생 단계의 중지를 지시할 수 있다.
재생 단계가 전개되는 동안 나타나는 희석치는 재생 단계의 시작에서부터 해당 순간까지 나타나는 시간에 걸친 연속적인 희석치 각각이 누적된 값이다.
희석도와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링하는 수단은 시간에 걸친 상기 비율값의 전개에서 최소값에 도달하였는지를 식별할 수 있고, 이 최소값에 도달하였을 때 재생 단계의 중지를 지시할 수 있는 수단인 것이 바람직하다.
별법으로, 희석도와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링하는 수단은 시간에 걸친 상기 희석도-대-질량 비율 전개의 변곡점에서 재생 단계의 중지를 지시할 수 있는 수단이다.
바람직하게는, 희석도와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링하는 수단은 일련의 물리적 파라미터 센서 및 수학적 모델을 가동하는 컴퓨터를 포함하고, 이 수학적 모델은 센서에 의해 실시간으로 얻은 파라미터에 기초해 상기 비율의 평가를 수행한다.
예컨대, 희석도와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링하는 수단은 입자 필터 및 실린더 근처에 위치하는 일련의 물리적 파라미터 센서를 포함한다.
부분적으로 이용되는 수학적 모델은 일반적으로 희석도와 제거된 그을음량 사이의 적어도 하나의 상기 비율값에 대한 확률의 형식으로 결과를 전달한다.
본 발명은 디젤 엔진 입자 필터의 재생 단계를 중지시키는 방법도 제시하며, 상기 방법은 재생 단계가 시작되어 진행된 이후 제거된 그을음량을 평가하는 단계로 구성된 단계를 포함한다. 바람직하게는, 이 방법은 재생 단계 과정에서 나타난 오일의 디젤 연료에 대한 희석도를 나타내는 수치를 평가하는 단계로 구성된 단계, 나타난 희석도 지시치와 제거된 그을음량 수치 사이의 비율을 정하는 것으로 구성된 단계, 및 전개 과정에서 이러한 비율이 소정의 기준에 도달하였는지를 식별하는 것으로 구성된 단계를 포함하기도 한다.
본 발명의 다른 특징, 목적 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 기술하는 상세한 설명을 참조함으로써 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 장치와 입자 필터를 구비한 엔진 블록의 기능도.
도 2는 본 발명에 따른 장치에 의해 이용되는 비율의 전개를 도시하는 선도.
도 1에 도시된 모든 구성요소는 자동차 디젤 엔진의 실린더(10) 둘레에 배치되어 있다. 분사 장치(13) 뿐만 아니라 공기 입구 파이프(11) 및 배기 파이프(12)도 도시되어 있다. 배기 파이프(12)에 터보압축기(20)가 장착된다.
배기 파이프(12)는 터보압축기(20)의 터빈(20a) 하류에 촉매기(14) 및 입자 필터(30)를 포함한다. 도시된 어셈블리에는 실린더(10) 둘레에서 배기 가스를 재순환하기 위해 설계된 시스템도 입구 파이프(11)와 배기 파이프(12) 사이의 연결부로서 위치한다. 이 시스템은 EGR(배기 가스 재순환, Exhaust Gas Recirculation)로 알려져 있으며, 도 1에서 도면번호 40으로 지정되어 있다.
재생 단계를 위한 제어기, 특히 재생 단계를 중지시키기 위한 제어기로 작용하는 컴퓨터(55)도 도시되어 있다.
재생 단계를 제한하고 중지시키기 위하여, 컴퓨터(55)는 실린더(10)의 분사 밸브(14)에 명하여, 이에 의해 입자 필터를 가열하기 위해 연료를 분사할 것인지 여부를 물리적으로 제어한다.
컴퓨터(55)가 재생 단계의 중지를 결정하는 방법이 제안되고 있다.
컴퓨터(55)는 입자 필터(30)로부터 일련의 물리적 데이터를 표본 추출한다. 따라서, 컴퓨터는 도 1의 일련의 센서(31, 32, 33, 34, 35)에 의해 전송된 신호를 수신한다.
온도 센서(31)는 필터(30)의 상류 온도를 표본 추출하고, 센서(32)는 필터(30)의 하류 온도를 표본 추출한다.
압력 센서(33, 34) 각각은 필터(30)의 상류 및 하류의 압력을 표본 추출한 다.
유량계(35)도 입자 필터 근처에 위치한다.
입자 필터(30)에서 표본 추출되어 컴퓨터(55)에 입력으로 제공되는 온도 파라미터와 함께 다른 파라미터도 표본 추출되어 컴퓨터(55)에 제공되고, 이들은 재생 단계를 시작할 것인지 또는 중지할 것인지 여부의 결정에 도달하기 위해 컴퓨터에 의해 수행되는 계산에 이용되며, 그 결정은 접속부(50)를 통해 분사 장치(13)로 전송된다.
컴퓨터(55)는 실시간으로 분사되는 디젤 연료의 유량의 값도 수신한다. 유량 값을 적분함으로써 재생 단계가 시작되어 진행된 이후 분사된 디젤 연료의 총 체적도 이용할 수도 있다.
컴퓨터(55)는 도 1에 도시되지 않은 2개의 대응 센서로부터 신호를 수신하는 2개의 추가 입력(56, 57)을 더 포함한다. 입력(56)과 연관되는 센서는 실시간 엔진 속도값을 전송하며, 입력(57)과 연관되는 센서는 예컨대, 실린더(10) 내의 온도값을 전송한다.
표본 추출되어 컴퓨터로 전송된 파라미터로부터, 컴퓨터는 두 개의 평가를 수행할 수 있다.
첫 번째, 재생 단계 과정에서 현재까지 나타난 디젤 연료에 대한 오일의 희석도를 평가한다. 두 번째, 재생 단계에서 현재까지 연소된 그을음량을 평가한다.
여기서, 희석도를 나타내는 수치는 취득한 온도 및 압력의 함수로서 시간에 걸친 디젤 연료에 대한 오일의 희석도의 일반적 전개를 정하는 사전에 기록된 모델 을 이용하여 얻는다.
이러한 평가는 디젤 연료에 대한 오일의 예상된 희석도와 함께 상술한 파라미터의 다양한 수치를 기록하는 사전에 기록된 데이터의 이용에 의존한다. 이러한 디젤 연료에 대한 오일의 희석도는 실험 테스트 과정에서 배기부 진입시 디젤 연료로 희석된 오일을 물리적으로 표본 추출함으로써, 또는, 사전에 제작된 물리적 모델을 기초로 한 계산 결과로서 측정된다.
따라서, 희석도를 나타내는 수치는 해당 순간의 희석도에 대응하고, 진행중인 재생 단계의 이전 순간 및 해당 순간에 실제로 이용되는 다중 분사를 요청하는 상황의 전개를 고려하여 평가된다.
여기서, 컴퓨터는 재생 단계가 시작된 이후 이미 경과한 시간을 통해 시간에 따라 나타난 다양한 희석치를 누진 적분 형식으로 희석도를 평가한다. 이러한 누진 합산은 컴퓨터에 의해 예컨대, 시간에 대한 각각의 연속된 희석치를 합산하는 형식으로 계산된다.
이러한 지시치는 "재생 시작 후의 누진 희석도"로 지칭된다.
표본 추출된 파라미터에 직접적으로 의존하는 이러한 모델과 함께, 통계적 형식의 다른 모델을 이용할 수 있다.
그러한 통계적 모델은 자동차 설계 단계에서 실험적 측정으로부터 수립된다.
동시에, 컴퓨터는 다시 실시간으로 제2 평가를 수행한다. 이는 재생이 시작된 이후 연소된 그을음량의 평가이다. 다시, 이러한 그을음량은 컴퓨터(55)에 의해 표본 추출된 압력 및 온도 데이터로부터 물리적 또는 통계적 모델을 이용하여 결정된다.
이러한 누진 희석도 및 연소 그을음량에 관한 두 가지 평가를 수행함으로써, 매순간 컴퓨터(55)는 비율[누진 희석도(t) / 그을음 연소량(t)]을 정할 수 있다.
여기서, 필터는 부분적으로만 재생된다. 소량의 그을음은 절차의 마지막에도 계속 남아있다. 결과적으로, 재생 절차는 완전 재생 방법에 있어서 보다 더욱 빈번하게 수행된다. 각각의 부분 재생에 있어서, 입자 필터는 완전 재생의 마지막에서보다 더 많은 그을음을 포함하게 된다. 그러나, 종합적으로, 수 회의 부분 재생을 이용하여 주어진 입자의 양을 연소하는 데 소모되는 에너지는 일 회의 완전 재생에서 소모되는 에너지 보다 더 적다.
수행되는 부분 재생 단계에 대해 최상의 제어를 하기 위해서, 컴퓨터(55)는 희석도 / 연소 그을음량의 비율값을 실시간으로 모니터링한다. 시간에 걸친 이러한 비율의 일반적 전개는 도 2의 선도 형태로 나타나는 것으로 확인되었다. 이러한 비율값은 'r'로 표시되었다.
희석도-대-연소량 비율에서 초기 점프(60)와 함께, 이러한 선도는 수평 레벨 단계(65)를 나타내고, 시간에 따라 기울기가 증가하는 상승 단계(70)가 이에 후속하며, 선형 증가 구역(80)에서 안정된다.
재생이 개시되면, 즉, 초기 점프(60)를 지나간 경우, 또는 다시 말해서, 입자 필터가 일정 온도에 달하여 연소가 시작되면, 가장 적절하다고 판단된 상술한 선도 상의 한 점에서 재생 절차가 중지되어야 한다는 것이 결정된다.
바람직하게는, 이는 희석도/질량 비율이 최소가 되는 지점, 즉, 레벨 단 계(65)의 마지막에 위치한 순간 강하(short dip; 66)의 순간에 재생 절차를 중지시키는 것을 포함한다.
이를 위해, 컴퓨터는 비율 전개의 기울기를 결정하고, 이를 실시간으로 행한다. 기울기가 영이 될 때, 컴퓨터는 이로부터 최소값에 도달하였음을 추론한다. 별법으로, 컴퓨터는 변곡점이 나타났는지를 식별하여 예상되는 최소값이 나타난 것을 지시하는 것으로 해석한다.
따라서, 연소된 그을음량에 대한 희석도에 관한 비용 함수의 도입은 이 함수가 시간에 걸친 전개에 있어 최소값(66)에 도달하는 것을 드러낸다. 부분 재생 단계의 마지막으로 채택될 수 있는 진행도에서 이 최소값(66)에 이르게 된다. 구체적으로, 비록 부분적이지만 충분한 그을음량이 제거되도록 이러한 재생이 충분히 진행되었을 때, 최소가 된다.
따라서, 주어진 일정량의 입자를 연소시킬 때, 수 회의 부분 재생에 있어서 조차 희석도가 작게 된다. 그러한 최적화된 부분 재생을 반복하는 사실은 최적화된 선택이 희석도를 줄이는 효과를 배가시킨다.
컴퓨터(55)가 통계적 희석도 모델을 이용할 때, 컴퓨터는 질량-대-희석도 비율을 정하고, 소정의 한계치를 넘는 것에 기초하여 재생을 중지시킬 시간을 결정한다. 예컨대, 컴퓨터는 비율에 대한 최소 한계치의 하류 방향으로 넘어가는 것을 모니터링한다.
컴퓨터는 도 2의 선도에 나타난 것과 같은 희석도-대-질량 비율의 전개에 대한 최소 비율(66)을 결정하기도 한다.

Claims (7)

  1. 자동차 디젤 엔진 입자 필터(30)의 재생 단계를 중지시키는 장치로서,
    재생 단계가 시작되어 진행된 이후에 제거된 그을음량을 평가하는 수단(31, 32, 33, 34)을 포함하고,
    재생 단계가 진행되는 동안 나타나는 오일의 디젤 연료 희석도를 나타내는 값을 평가하는 수단, 및 상기 희석도를 나타내는 수치와 상기 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링하는 수단(55)을 포함하는 것을 특징으로 하며,
    상기 모니터링하는 수단(55)은 상기 비율의 전개와 관련하여 소정의 기준(66)에 도달하였는지를 식별하여, 상기 소정의 기준(66)에 도달하였을 때 상기 재생 단계의 중지를 지시할 수 있는 것인 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 재생 단계가 진행되는 동안 나타나는 상기 희석도를 나타내는 수치는 상기 재생 단계의 시작(60)부터 해당 순간까지 나타나는 희석도를 나타내는 연속적인 수치 각각이 시간에 걸쳐 누적된 수치인 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 희석도와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링하는 수단(55)은 시간에 걸친 상기 비율값의 전개에 있어 최소값(66)에 이르렀는지를 식별하여, 상기 최소값에 도달할 때 상기 재생 단계의 중지 를 지시할 수 있는 수단인 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희석도와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링 하는 수단(55)은 시간에 걸친 상기 희석도-대-질량 비율의 전개의 변곡점(66)에서 상기 재생 단계의 중지를 개시할 수 있는 수단인 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 희석도와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링 하는 수단(55)은 일련의 물리적 파라미터 센서(31, 32, 33, 34) 및 수학적 모델을 가동하는 컴퓨터(55)를 포함하고, 상기 수학적 모델은 상기 센서(31, 32, 33, 34)에 의해 실시간으로 얻어지는 파라미터에 기초하여 상기 비율의 평가를 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 청구항 5에 있어서, 상기 희석도와 제거된 그을음량 사이의 비율값을 모니터링 하는 수단(55)은 상기 입자 필터(30) 근처에 위치한 일련의 물리적 파라미터 센서(31, 32, 33, 34)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 디젤 엔진 입자 필터(30)의 재생 단계를 중지시키는 방법으로서,
    재생 단계가 시작되어 전개된 이후 제거된 그을음량을 평가하는 단계를 포함하고,
    상기 재생 단계 과정에서 나타나는 오일의 디젤 연료 희석도를 나타내는 수치를 평가하는 단계와, 나타난 희석도를 나타내는 수치와 제거된 그을음량의 수치 사이의 비율을 정하는 단계, 및 전개 중에 상기 비율이 소정의 기준에 도달하였는지를 식별하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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