KR20110024252A

KR20110024252A - 디젤차량의 후처리계 보호장치 및 방법

Info

Publication number: KR20110024252A
Application number: KR1020090082161A
Authority: KR
Inventors: 박지원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-09-01
Filing date: 2009-09-01
Publication date: 2011-03-09
Also published as: KR101114385B1

Abstract

본 발명은 산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst : DOC)와 디젤매연필터(Diesel Particulate Filter : DPF)로 구성되는 디젤차량의 후처리 시스템에서, 디젤매연필터의 재생시 산화촉매의 전후단 온도 차이를 비교하여 발열량이 클 경우 디젤매연필터의 재생을 억제시켜 비정상적인 온도 상승에 의해 디젤매연필터가 소손 되는 것을 방지하는 것이다.

본 발명은 엔진이 시동 온 되면 제반 운전정보를 검출 분석하여 산화촉매의 산화능 조건을 만족하는지 판정하는 과정; 상기 산화촉매의 산화능 조건을 만족하면 상기 산화촉매가 미연소 탄화수소의 슬립을 발생시키는 한계온도를 설정하는 과정; 디젤매연필터의 양단간 차압이 재생 조건을 만족하는지 판단하여 재생 조건이면 후분사 제어를 통해 재생을 실행하는 과정; 디젤매연필터의 재생 과정에서 산화촉매 양단간의 온도를 검출하여 온도차가 설정된 기준온도를 초과하였는지 판단하는 과정; 상기 산화촉매 양단간의 온도차가 설정된 기준온도를 초과하였으면 디젤매연필터에 미연소된 탄화수소가 과도하게 유입되는 것으로 판정하여 후분사를 금지시켜 디젤매연필터의 재생 동작을 중지하는 과정을 포함한다.

후처리계, 산화촉매, 디젤매연필터, HC, 재생, 슬립, 한계온도

Description

디젤차량의 후처리계 보호장치 및 방법{APPARATUS FOR PROTECTION EMISSION REDUCE LINE OF DIESEL VEHICLE AND METHOD THEREOF}

본 발명은 산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst : DOC)와 디젤매연필터(Diesel Particulate Filter : DPF)로 구성되는 디젤차량의 후처리 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디젤매연필터의 재생시 산화촉매의 전후단 온도 차이를 비교하여 발열량이 클 경우 디젤매연필터의 재생을 억제시켜 비정상적인 온도 상승에 의해 디젤매연필터가 소손 되는 것을 방지하는 디젤차량의 후처리계 보호장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 엔진에서 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 중간에 배치되는 촉매장치(Catalytic Converter)로 유도되어 정화되고 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 배기 파이프를 통해 대기로 방출된다.

OBD 규제에서는 날로 강화되는 배기가스(Emission)의 규제뿐만 아니라 배기가스 관련 부품의 고장, 열화정도까지 감지하도록 하는 진단 능력의 향상과 개선, 그리고 A/S(After Service) 시장에서의 표준화와 관련된 여러 가지 규정을 만족하도록 요구하고 있다.

북미디젤 Tier2 BIN5 규제나 유로 6 배기가스 규제를 만족시키기 위하여 후처리계 시스템으로 산화촉매, 디젤매연필터, LNT(Lean NOx Trap), 우레아(Urea)를 이용하는 SCR((Selective Catalytic Reduction) 촉매 등이 적용되고 있으며, 차량의 설계에 따라 상기의 촉매들의 조합과 배치 위치가 서로 다르게 결정된다.

통상적으로, 산화촉매는 배기 파이프에서 맨 상류측에 배치되며, 배기가스에 포함된 유해한 물질인 CO(일산화탄소), HC(탄화수소)와 입자상 물질 중에서 용해성 유기물질(SOF)을 세라믹 담체에 코팅된 백금계 촉매와 반응시켜 CO2(이산화탄소), H2O(물)로 정화한다.

디젤매연필터는 산화촉매의 하류측에 배치되어 배기가스에 포함된 입자상 물질을 물리적으로 포집하고, 일정거리 주행 후 후분사를 통해 상승되는 배기가스의 온도에 의해 포집된 입자상 물질이 연소되어 재생된다.

산화촉매와 디젤매연필터로 후처리 시스템을 구성하는 종래의 디젤차량은 산화촉매를 통해 HC(탄화수소) 및 CO(일산화탄소)를 정화시키고, 디젤매연필터의 재생시에 포집된 입자상 물질을 제거하기 위하여 배기온도를 상승시키는 제어를 실행한다.

상기 디젤매연필터에 포함된 그을음(Soot) 등의 입자상 물질을 제거시키기 위해서는 대략적으로 500 ~ 600℃의 고온의 온도가 필요하므로, 배기가스의 온도를 상승시키기 위하여 연료 후분사 제어가 실행된다.

연료 후분사 제어가 실행되면 연소실에서 미처 연소되지 못한 HC(탄화수소)가 산화촉매로 유입되며, 산화촉매에서 HC(탄화수소)의 산화 반응에 의해 발열되어 배기가스의 온도를 상승시켜 준다.

그러나, 저속/저부하 영역에서는 초기 엔진에서 나오는 배기가스의 온도가 너무 낮아 고속/고부하 영역과 대비하여 보다 많은 양의 후 분사가 이루어지며, 산화촉매가 에이징(Aging) 또는 일부분 기능이 손실된 경우 너무나 많은 양의 후분사가 이루어져 미처 연소되지 못한 HC(탄화수소)가 과도하게 배출된다.

상기 배출되는 HC(탄화수소)의 일부분은 산화촉매에서 발열반응에 사용되고 나머지 일부분은 그을음 등의 입자상 물질을 포집하는 디젤매연필터로 유입된다.

디젤매연필터에 유입된 HC(탄화수소)는 온도에 의해 급격한 발열 반응을 일으켜 디젤매연필터의 온도 상승을 일으키며 포집된 그을음 등의 입자상 물질과 연쇄적으로 발열 반응하여 온도를 상승시키므로 디젤매연필터가 갖는 한계온도를 초과하여 디젤매연필터를 소손시키는 문제점을 발생시킨다.

도 4에 도시된 산화촉매 후단의 HC(탄화수소) 농도와 디젤매연필터의 온도 관계 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 많은 양의 후분사에 따라 미연소된 HC(탄화수소)가 과도하게 발생되어 산화촉매 후단의 HC(탄화수소) 농도가 증가되는 경우 디젤매연필터의 내부 온도가 상승되는 것을 알 수 있다.

이러한 상황에서 정상적인 디젤매연필터(Fresh)와 비교하여 에이징(Aged)된 디젤매연필터인 경우 디젤매연필터가 갖는 한계온도, 대략적으로 1250 ~1280℃ 이상으로 상승되어 디젤매연필터가 소손되는 현상이 발생된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 디젤매연필터의 재생이 시작되면 엔진 RPM과 부하의 조건에서 산화촉매 전단의 온도를 모델링을 통해 추출하고, 산화촉매 후단에 설치되는 열전대로부터 산화촉매 후단의 온도를 모니터링하여 온도차가 설정된 기준온도 이상이면 산화되지 못한 HC(탄화수소)가 디젤매연필터에 과도하게 유입되는 것으로 판정하여 디젤매연필터 재생을 위한 후분사를 금지시켜 디젤매연필터의 온도가 비정상적으로 상승되는 것을 방지함으로서, 디젤매연필터를 보호하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 디젤차량의 후처리계 보호장치는, 엔진의 배기 매니폴더에 장착되어 배기가스에 포함된 탄화수소를 산화 반응시켜 정화하는 산화촉매; 상기 산화촉매의 하류측에 설치되어 그을음을 포함하는 입자상 물질을 포집하는 디젤매연필터를 포함하며,

상기 산화촉매의 후단에 설치되어, 산화촉매의 후단의 온도를 측정하는 열전대; 상기 디젤매연필터의 재생시 엔진 RPM과 부하로부터 산화촉매의 전단온도를 추정하고, 상기 산화촉매의 전후단 온도차를 계산하여 설정된 기준온도 이상이면 후분사를 금지하여 디젤매연필터의 재생을 중지시키는 제어부를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 디젤차량의 후처리계 보호방법은, 엔진이 시동 온 되면 제반 운전정보를 검출 분석하여 산화촉매의 산화능 조건을 만족하는지 판정하는 과정; 상기 산화촉매의 산화능 조건을 만족하면 상기 산화촉매가 미연소 탄화수소의 슬립을 발생시키는 한계온도를 설정하는 과정; 디젤매연필터의 양단간 차 압이 재생 조건을 만족하는지 판단하여 재생 조건이면 후분사 제어를 통해 재생을 실행하는 과정; 디젤매연필터의 재생 과정에서 산화촉매 양단간의 온도를 검출하여 온도차가 설정된 기준온도를 초과하였는지 판단하는 과정; 상기 산화촉매 양단간의 온도차가 설정된 기준온도를 초과하였으면 디젤매연필터에 미연소된 탄화수소가 과도하게 유입되는 것으로 판정하여 후분사를 금지시켜 디젤매연필터의 재생 동작을 중지하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 디젤매연필터의 재생시 발생하는 HC(탄화수소)의 슬립(Slip)량을 줄여 디젤매연필터가 소손되는 것을 방지함으로써, 차량의 운행에 안정성 및 신뢰성을 제공하는 효과가 기대된다.

또한, 디젤매연필터의 재생시에 발화성이 큰 엔진오일 등의 이물질이 유입되는 경우 후분사를 금지함으로써, 디젤매연필터 및 차량 보호가 제공된다.

아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량의 후처리계 보호장치를 개략적으 로 도시한 도면이다.

본 발명은 엔진(10)과, 엔진(10)에서 연소된 배기가스의 에너지로 엔진(10)에 흡입되는 공기를 과급시키는 터보차저(30)가 장착된다.

상기 터보차저(30)는 배기 매니폴더의 소정 위치에 임펠라(31)가 장착되고, 흡기 매니폴더의 소정 위치에 터빈(32)이 장착되어 임펠라(31)의 동작에 따라 터빈(32)이 동작되어 흡입공기를 과급시킨다.

상기 임펠라(31)의 하류측에 배기가스에 포함된 유해물질을 정화시키는 촉매(50)가 설치된다.

상기 촉매(50)는 배기가스에 포함된 HC(탄화수소)를 백금계 촉매와 산화 반응시켜 정화하는 산화촉매(51)와 그을음 등의 입자상 물질을 물리적으로 포집하는 디젤매연필터(53)로 구성된다.

상기 산화촉매(51)의 하단측에는 열전대(52)가 설치되어 디젤매연필터(53)가 재생되는 상태에서 산화촉매(51)의 하단 온도를 검출하여 제어부(100)에 제공한다.

상기 디젤매연필터(53)는 상류 및 하류측에는 설치된 도시되지 않은 차압센서를 양단간의 차압을 검출하여 제어부(100)에 제공하여 제어부(100)로 하여금 연료의 후분사를 통해 디젤매연필터(53)의 재생이 이루어질 수 있도록 한다.

제어부(100)는 본 발명에 따른 디젤차량의 엔진 시동이 온 되면 차량에 통상적으로 설치되는 각각의 센서로부터 엔진 RPM, 부하, 냉각수온, 마일리지 등의 정보를 검출 분석하여 냉각수의 온도가 설정된 기준온도를 초과하면 산화촉매(51)의 산화능으로 판정한다.

그리고, 디젤매연필터(53)의 양단간에 설치되는 도시되지 않은 차압센서의 정보를 분석하여 디젤매연필터(53)의 재생조건을 만족하는지 판단하여, 재생조건이면 연료의 후분사를 제어하여 디젤매연필터(53)를 재생시킨다.

상기 디젤매연필터(53)를 재생시키는 과정에서 엔진 RPM과 부하의 조건으로부터 엔진(10)에서 배출되는 배기가스의 온도, 즉 산화촉매(51)의 전단온도를 예측하고, 열전대(52)를 통해 산화촉매(51)의 후단온도를 검출하여 산화촉매(51) 양단간의 온도가 설정된 기준온도 이상인지를 판단한다.

상기 산화촉매(51) 양단간의 온도가 기준온도 이상이면 과도한 후분사에 의해 발생되는 연소되지 않은 HC(탄화수소)의 슬립으로 인하여 디젤매연필터(53)에 과도하게 유입되는 것으로 판정하여 디젤매연필터(53) 재생을 위한 후분사를 금지시켜 디젤매연필터(53)를 보호한다.

또한, 상기 제어부(100)는 엔진 온 타임의 증가에 따른 에이징과 마일리지의 증가에 따라 산화촉매(51)의 산화능력을 학습 저장하고, 학습된 산화능력에 따라 한계온도를 수정하여 적용한다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에서 디젤매연필터의 재생시 HC(탄화수소)의 슬립에 따른 디젤매연필터를 보호하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 디젤차량의 엔진 시동이 온 되면(S101) 제어부(100)는 차량에 통상적으로 설치되는 각각의 센서로부터 엔진 RPM, 부하, 냉각수온, 마일리지 등을 포함하는 운전정보를 검출한 다음(S102) 냉각수의 온도가 설정된 기준온도(a ℃), 예를 들어 85℃를 초과하는지 판단한다(S103).

상기 S103의 판단에서 냉각수의 온도가 기준온도 미만인 상태이면 산화촉매(51)가 산화능에 도달되지 않는 것으로 판정하여 상기 S102의 과정으로 리턴되고, 냉각수의 온도가 기준온도를 초과한 상태이면 산화촉매(51)가 산화능에 도달한 것으로 판정한다(S104).

이후, 학습을 통해 저장된 산화촉매(51)의 산화능력에 따라 산화촉매(51)의 한계온도를 설정하고(S105), 디젤매연필터(53)의 양단간에 설치되는 도시되지 않은 차압센서의 정보를 분석하여 디젤매연필터(53)의 재생조건을 만족하는지 판단하며, 재생조건이면 연료의 후분사를 통해 디젤매연필터(53)를 재생 시작한다(S106).

상기 디젤매연필터(53)를 재생시키는 과정에서 후분사량을 제어하며(S107), 엔진 RPM과 부하를 검출하여 엔진(10)에서 배출되는 배기가스의 온도, 즉 산화촉매(51)의 전단온도를 예측하고(S108) 산화촉매(51)의 후단부에 설치되는 열전대(52)를 통해 산화촉매(51)의 후단온도를 검출한다(S109).

그리고, 산화촉매(51) 양단간의 온도 차이를 계산하여 온도차가 설정된 기준온도(b℃)를 초과하는지 판단한다(S110).

상기 S110의 판단에서 산화촉매(51) 양단간의 온도차가 기준온도(b℃) 미만이면 상기 S107의 과정으로 리턴되어 후분사량의 조정을 통해 디젤매연필터(53)의 재생을 지속한다.

그러나, 상기 S110의 판단에서 산화촉매(51) 양단간의 온도차가 기준온도(b℃)를 초과한 상태이면 과도한 후분사에 의해 발생되는 연소되지 않은 HC(탄화수 소)가 슬립하여 디젤매연필터(53)에 과도한 양, 예를 들어 300ppm 이상 유입되는 것으로 판정한다(S111).

상기 디젤매연필터(53)에 유입되는 HC(탄화수소) 양의 판정은 도 3에 도시된 바와 같이 디젤매연필터(53)의 재생조건에서 후분사량이 증가함에 따라 연소되지 않은 HC(탄화수소)의 농도가 증가됨을 알 수 있고, 또한 산화촉매(51) 전후단의 온도 차이도 증가됨을 알 수 있다.

따라서, 산화촉매(51) 전후단의 온도 차이를 알면 디젤매연필터(53)의 재생시 산화촉매(51)에서 슬립되어 유입되는 연소되지 않은 HC(탄화수소)의 양을 알 수 있다.

상기와 같이 과도한 후분사에 의해 산화촉매(51)에서 슬립되는 연소되지 않는 HC(탄화수소)가 디젤매연필터(53)에 유입되는 것이 판정되면, 유입되는 HC(탄화수소)에 의한 발열 반응으로 디젤매연필터(53)의 온도를 과도하게 상승시키는 조건으로 판정하여 후분사를 정지시킨다(S112).

즉, 디젤매연필터(53)의 재생 동작을 중지시켜 디젤매연필터(53)가 소손되는 것을 방지한다.

또한, 차량은 엔진 온 타임과 마일리지의 증가에 따라 산화촉매(51)가 에이징되며 이에 따라 산화능력의 저하가 발생되므로, 디젤매연필터(53)의 재생 동작이 실행되지 이전에 산화촉매(51)의 산화능력이 규정되어야 한다.

그리고, 산화촉매(51)의 산화능력에 따라 연소되지 않은 HC(탄화수소)가 슬립되는 한계온도가 결정된다.

따라서, 제어부(100)는 엔진 온 타임과 마일리지의 증가에 따라 설정된 학습조건을 만족하면 산화촉매(51) 전단의 온도를 설정된 일정온도로 일정시간 동안 유지시키고(S113), 열전대(52)를 통해 산화촉매(51) 후단의 온도를 설정된 일정시간 동안 검출하여 평균온도를 계산한다(S114).

이후, 산화촉매(51) 전후단의 온도차이를 계산하여 산화촉매(51)의 산화능력을 하기의 수학식 1을 적용하여 학습 저장하고(S115), 학습된 산화능력에 따라 한계온도를 수정하여 디젤매연필터(53)의 다음 재생에 적용되도록 한다(S116).

상기의 계산 결과값이 '1'이면 정상적인 산화촉매로 판정하고, 계산 결과값이 '0.5'이면 에이징이 발생된 산화촉매로 판정하며, 계산 결과값이 '0'이면 산화촉매의 고장으로 판정한다.

또한, 상기의 기술을 적용하여 디젤매연필터(53)의 재생이 진행되는 상태에서 발화성이 큰 엔진오일 등의 이물질이 디젤매연필터(53)에 유입되는 경우에도 후분사를 금지시켜 디젤매연필터(53)의 재생 동작을 중지시킴으로써, 디젤매연필터의 보호 및 차량 보호를 제공하여 운행에 신뢰성을 제공한다.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량의 후처리계 보호장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량에서 후처리계 보호 절차를 도시한 흐름도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 디젤차량에서 산화촉매 전후단의 온도차와 HC(탄화수소)의 농도를 도시한 그래프이다.

도 4는 디젤차량에서 산화촉매 후단의 HC(탄화수소) 농도와 디젤매연필터의 온도를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 엔진 30 ; 터보차저

50 : 촉매 51 : 산화촉매

52 : 열전대 53 : 디젤매연필터

Claims

엔진의 배기 매니폴더에 장착되어 배기가스에 포함된 탄화수소를 산화 반응시켜 정화하는 산화촉매;

상기 산화촉매의 하류측에 설치되어 그을음을 포함하는 입자상 물질을 포집하는 디젤매연필터;

를 포함하며,

상기 산화촉매의 후단에 설치되어, 산화촉매 후단의 온도를 측정하는 열전대;

상기 디젤매연필터의 재생시 엔진 RPM과 부하로부터 산화촉매의 전단온도를 추정하고, 상기 산화촉매의 전후단 온도차를 계산하여 설정된 기준온도 이상이면 후분사를 금지하여 디젤매연필터의 재생을 중지시키는 제어부;

를 더 포함하는 디젤차량의 후처리계 보호장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 산화촉매의 전후단 온도 모니터링을 위해 냉각수온의 정보를 판독하여 산화촉매의 산화능을 판정하며, 산화능에 도달된 경우에 한하여 디젤매연필터의 재생을 실행하는 디젤차량의 후처리계 보호장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 산화촉매의 전후단 온도차에 따라 디젤매연필터에 유입되는 미연소 탄화수소의 양을 산출하여 기준량 이상이면 후분사를 금지하여 디젤매연필터의 재생을 중지시키는 디젤차량의 후처리계 보호장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 산화촉매의 산화능력을 기준으로 미연소 탄화수소의 슬립이 발생되는 한계온도를 설정하는 디젤차량의 후처리계 보호장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 엔진 시동 온 타임 및 마일리지의 증가에 따라 산화촉매의 산화능력을 학습 저장하고, 학습된 산화능력에 따라 디젤매연필터의 다음 재생시에 한계온도를 적용하는 디젤차량의 후처리계 보호장치.
엔진이 시동 온 되면 제반 운전정보를 검출 분석하여 산화촉매의 산화능 조건을 만족하는지 판정하는 과정;

상기 산화촉매의 산화능 조건을 만족하면 상기 산화촉매가 미연소 탄화수소의 슬립을 발생시키는 한계온도를 설정하는 과정;

디젤매연필터의 양단간 차압이 재생 조건을 만족하는지 판단하여 재생 조건이면 후분사 제어를 통해 재생을 실행하는 과정;

디젤매연필터의 재생 과정에서 산화촉매 양단간의 온도를 검출하여 온도차가 설정된 기준온도를 초과하였는지 판단하는 과정;

상기 산화촉매 양단간의 온도차가 설정된 기준온도를 초과하였으면 디젤매연필터에 미연소된 탄화수소가 과도하게 유입되는 것으로 판정하여 후분사를 금지시켜 디젤매연필터의 재생 동작을 중지하는 과정;

을 포함하는 디젤차량의 후처리계 보호방법.
제6항에 있어서,

엔진 시동 온 타임 및 마일리지의 증가에 따라 산화촉매의 산화능력을 학습 저장하고, 학습된 산화능력에 따라 디젤매연필터의 다음 재생시에 한계온도를 적용하는 과정;

을 더 포함하는 디젤차량의 후처리계 보호방법.
제6항에 있어서,

상기 산화촉매의 산화능 조건의 판정은 냉각수온을 통해 실행하며, 냉각수온이 설정온도 이상 경우에 산화능 조건을 만족하는 것으로 판정하는 디젤차량의 후처리계 보호방법.
제6항에 있어서,

상기 산화촉매 양단간의 온도 검출에서 상기 산화촉매 전단의 온도는 엔진 RPM과 부하의 조건을 적용하여 계산하고, 산화촉매 후단의 온도는 산화촉매 후단에 설치된 열전대를 이용하여 측정하는 디젤차량의 후처리계 보호방법.
제6항에 있어서,

상기 디젤매연필터의 재생 동작이 실행되는 상태에서 발화성이 큰 엔진오일이 디젤매연필터에 유입되는 경우 후분사 금지를 통해 디젤매연필터의 재생 동작을 중지시키는 것을 더 포함하는 디젤차량의 후처리계 보호방법.