KR20120024960A - 엔진의 배기압 손실의 연산 장치 - Google Patents

엔진의 배기압 손실의 연산 장치 Download PDF

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Abstract

엔진의 운전 상태에 따라서 시시각각 변화되는 배기압 손실을, 직접 제어에 사용할 수 있는 보정 배기압 손실로 보정하는 보정 배기압 손실 연산 장치를 제공하는 것이 과제이다. 본 발명은, 상기 배기 가스의 질량 유량과 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 질량 유량의 관계와, 상기 배기 가스의 온도와 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 온도의 관계와, 상기 배기 압력과 상기 기준 조건에 있어서의 배기 압력의 관계와, 상기 배기 가스의 온도 조건에 있어서의 배기 가스의 점성 계수와 상기 기준 조건에 있어서의 점성 가스의 점성 계수의 관계로부터, 상기 배기 가스의 압력을, 상기 기준 조건에 있어서의 배기압 손실인 보정 배기압 손실로 환산한다.

Description

엔진의 배기압 손실의 연산 장치{DEVICE FOR COMPUTING EXHAUST PRESSURE LOSS IN AN ENGINE}
본 발명은, 배기 가스 중의 미립자를 포집하는 필터를 배기 통로에 구비한 엔진의 배기압 손실의 연산 장치에 관한 것이다.
엔진으로부터 배출되는 배기 가스를 정화 처리하기 위해서, 배기 통로 상에 DPF(Diesel ㎩rticulate Filter)를 설치하는 기술이 알려져 있다. 이와 같은, DPF를 배기 통로 상에 설치하는 기술에 있어서는, DPF에 의해 배기 가스 중의 미립자(PM)인 그을음(soot)을 포집하고 있다.
DPF를 배기 통로 상에 설치하는 경우, DPF에 의해 포집된 soot는 DPF에 퇴적된다. DPF에의 soot의 퇴적량이 증대되면, 배기압 손실이 증대되어, 엔진의 흡입 공기량이 저하된다.
이때에, 예를 들어 배기의 일부를 급기측으로 환원하는 EGR에 관하여, EGR 제어의 목표 신호(공기 과잉율, 산소 과잉율, 급기 유량 등)를 일정 값으로 유지한 채로 제어하면, EGR 제어 밸브가 폐쇄측으로 제어되어 EGR 가스량이 줄어, EGR에 의한 배기 중의 유해 물질 저감 효과를 감소시켜 버린다고 하는 문제가 발생한다.
따라서, 배기압 손실의 증감에 따라서 세심한 제어가 필요해진다.
배기압 손실의 증감에 따른 제어의 예로서, 특허 문헌 1에 개시된 기술이 있다. 이것은, DPF 전후 차압과 배기 가스량의 관계로부터 DPF 압력 손실의 상태를 판정하고, 상기 판정의 결과에 기초하여 압력 손실이 설정값보다도 큰 경우에는 DPF의 재생 처리를 실시하는 것이다. 또한, DPF 전후 차압이 DPF 재생 처리를 행할 만큼 크지는 않는 경우에는, 연료 분사량의 상한을 증량측으로 변경하고, 이에 의해 DPF에의 soot 퇴적에 의한 배기압 손실 상승에 의해 저하되는 엔진 토크를 보충하는 것이다. 단, 배기압 손실 상승에 의해 배기 온도가 제한값 이상으로 되는 경우에는 연료 분사량을 감량측으로 보정하여 배기 온도를 제한값 이하로 하고 있다.
또한, 다른 배기압 손실의 증감에 따른 제어의 예로서, 특허 문헌 2에 개시된 기술이 있다. 이것은, 배기 매니폴드압이 한계압을 초과할 때에, 엔진의 흡입 공기량을 제한하는 것으로, 상기 배기 매니폴드압을 DPF 압력 손실이나 DPF 차압에 기초하여 산출하는 것이다. 또한, DPF 차압과 한계값의 비교에 기초하여 상기 흡입 공기량을 제한하는 것이다. 또한, 상기 엔진 흡입 공기량을 제한함과 동시에, 연료 분사량도 제한하는 것이다.
일본 특허 제3856118호 공보 일본 특허 출원 공개 제2007-40269호 공보
그러나, 특허 문헌 1에 개시된 기술에 있어서는, 배기 유량과 필터 압력 손실로부터 재생 개시 판정값을 구하고, 실제의 필터 압력 손실과 비교하여 보정 제어 On/Off를 판단하고 있지만, 배기 유량 변화와 필터 압력 손실 변화 사이에는 센서 응답의 차이나, 유량과 변화에 대한 압력 응답 지연도 있어, 그대로 보정 제어 On/Off를 평가하는 것은 바람직하지 않다. 또한, 압력 손실의 증감을 필터부의 압력 손실만으로 평가하고 있고, 필터 전후의 배관 부분의 압력 손실을 평가하고 있지 않기 때문에, 압력 손실의 면에서 정확하게 평가되고 있다고는 할 수 없다.
또한, 특허 문헌 2에 개시된 기술에 있어서는, 배기 유량을 고려하고 있지 않기 때문에, 얻어진 배기 매니폴드압은, 엔진의 운전 상태에 의한 영향을 강하게 받아 버린다. 이 경우, 얻어진 배기 매니폴드압을, 흡기량(과급압), 연료 분사량 제한의 On/Off의 판단에 사용하는 데에는 문제가 없지만, 분사 타이밍이나 분사 압력 등의 보정 제어에 사용하는 것은 어렵다.
특허 문헌 1, 2에 관한 기술로부터, 배기압 손실은 엔진의 운전 상태에 따라서 시시각각 변화하기 때문에, 배기압 손실을 계측해도 그것을 직접 제어에 사용하는 것이 어렵다고 할 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해서 본 발명에 있어서는, 엔진의 운전 상태에 따라서 시시각각 변화하는 배기압 손실을, 직접 제어에 사용할 수 있는 기준 조건에 있어서의 배기압 손실인 보정 배기압 손실로 보정할 수 있는 엔진의 배기압 손실의 연산 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 있어서는, 배기 가스 중의 미립자를 포집하는 필터를 배기 통로에 구비한 엔진과, 상기 배기 통로에서의 소정의 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실을 연산하는 연산 수단을 갖는 엔진의 배기압 손실의 연산 장치이며, 상기 배기 통로 중의 배기 압력을 측정하는 배기압 측정 수단과, 상기 배기 통로 중의 배기 가스의 질량 유량을 측정하는 배기 가스 질량 유량 측정 수단과, 상기 배기 통로 중의 배기 가스의 온도를 측정하는 배기 가스 온도 측정 수단을 갖고, 상기 연산 수단은, 상기 배기 가스의 질량 유량과 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 질량 유량의 관계와, 상기 배기 가스의 온도와 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 온도의 관계와, 상기 배기 압력과 상기 기준 조건에 있어서의 배기 압력의 관계와, 상기 배기 가스의 온도 조건에 있어서의 배기 가스의 점성 계수와 상기 기준 조건에 있어서의 점성 가스의 점성 계수의 관계로부터, 상기 배기 가스의 압력을, 상기 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실로 환산하는 것인 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 배기압 손실을 소정의 기준 조건에 있어서의 배기압 손실인 보정 배기압 손실로 환산할 수 있다. 상기 보정 배기압 손실은, 압력 손실의 증감을 상기 필터의 압력 손실뿐만 아니라, 필터 전후의 배관 부분의 압력 손실도 평가하고 있어, 압력 손실의 면에서 정확하게 평가되고 있다고 할 수 있다. 또한, 상기 소정의 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실은 엔진의 운전 상태에 있어서의 영향을 받지 않는다.
상기 보정 배기압 손실을 사용함으로써, EGR 제어나 연료 분사 제어(예를 들어 커먼 레일압 제어, 연료 분사 타이밍 제어, 연료 분사 단수 제어)를 고정밀도로 실시하는 것이 가능해진다. 또한, 배기압 손실의 현저한 상승은 엔진 성능 저하나, 연비 저하로 이어지기 때문에, DPF 재생 개시 트리거 발생의 판단이나, DPF에의 미립자의 퇴적 과대의 경보 발생의 판단 등에 상기 보정 배기압 손실을 사용하면, 상기 각 판단을 고정밀도로 행할 수 있다.
또한, 배기 가스 중의 미립자를 포집하는 필터를 배기 통로에 구비한 엔진과, 상기 배기 통로에서의 소정의 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실을 연산하는 연산 수단을 갖는 엔진의 배기압 손실의 연산 장치이며, 상기 배기 통로 중의 배기 가스의 질량 유량을 측정하는 배기 가스 질량 유량 측정 수단을 설치함과 동시에, 상기 배기 통로를 적어도 상기 필터, 상기 필터의 상류측, 상기 필터의 하류측의 3개소 이상으로 분할하고, 각 분할 개소에 대하여, 상기 분할 개소의 전후 차압을 측정하는 분할 개소 차압 측정 수단과, 상기 배기 통로 중의 배기 가스의 온도를 측정하는 배기 가스 온도 측정 수단을 설치하고, 상기 연산 수단은, 상기 각 분할 개소에 대하여, 상기 배기 가스의 질량 유량과 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 질량 유량의 관계와, 상기 배기 가스의 온도와 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 온도의 관계와, 상기 전후 차압과 상기 기준 조건에 있어서의 전후 차압의 관계와, 상기 배기 가스의 온도 조건에 있어서의 배기 가스의 점성 계수와 상기 기준 조건에 있어서의 점성 가스의 점성 계수의 관계로부터, 상기 전후 차압을, 상기 기준 조건에 있어서의 전후 차압인 보정 차압으로 환산하고, 상기 각 분할 개소에 있어서의 보정 차압을 가산하여, 상기 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실을 산출하는 것인 것을 특징으로 한다.
이에 의해, 상기 필터의 대표적인 예인 DPF를 갖는 엔진 시스템에 있어서 일반적인 센서 구성에서도, 소정의 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실을 구하는 것이 가능하다. 따라서, 기존의 DPF를 갖는 엔진 시스템에, 신규의 센서를 추가하지 않고, 본 발명의 기술을 적용하는 것이 가능해진다.
또한, 상기 배기 통로 상에, 상기 필터와, 상기 필터의 상류측에 배치되며 필터의 온도를 상승시키기 위한 산화 촉매를 포함하는 배기 정화 장치가 배치되고, 상기 배기 통로를, 상기 배기 정화 장치의 상류측, 상기 배기 정화 장치의 입구부, 상기 산화 촉매, 상기 필터, 상기 배기 정화 장치의 출구부, 상기 배기 정화 장치의 하류측의 6개소로 분할하고, 상기 6개소 각각에 대하여 상기 보정 차압을 산출하고, 상기 보정 배기압 손실을 산출하면 된다.
이에 의해, 일반적인 산화 촉매와 필터로 이루어지는 배기 정화 장치를 갖는 경우라도, 기존의 센서를 사용하여 새로운 센서를 추가하지 않고 본 발명의 적용이 가능하다. 따라서 기존의 설비를 개조하여, 본 발명을 적용하는 것이 간단하다.
또한, 상기 연산 수단은, 일정한 주기로 반복하여 상기 보정 배기압 손실을 연산하는 것임과 동시에, 1주기 전의 연산 결과를 유지하는 것이며, 상기 필터의 전후 차압이, 소정의 임계값보다 작은 경우에, 상기 연산을 실시하지 않고 상기 1주기 전의 연산 결과를 보정 배기압 손실로 하는 것인 것을 특징으로 한다.
상기 필터의 전후 차압이 소정의 임계값보다도 작은 상기 보정 배기압 손실의 정밀도가 얻어지기 어려운 조건에 있어서는, 보정 배기압 손실을 구하는 연산을 행하지 않고 1주기 전의 연산 결과를 채용함으로써, 보정 배기압 손실의 정밀도가 얻어지기 어려운 조건에서 연산을 실시하여 연산 결과가 악화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 엔진 정지시에도 상기 연산 결과를 유지해 둠으로써, 엔진 재시동 직후이며 저배기 가스 유량으로 된 경우라도 적절한 보정 배기압 손실을 얻을 수 있다.
본 발명에 따르면, 엔진의 운전 상태에 따라서 시시각각 변화하는 배기압 손실을, 직접 제어에 사용할 수 있는 기준 조건에 있어서의 배기압 손실인 보정 배기압 손실로 보정할 수 있는 엔진의 배기압 손실의 연산 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 제1 실시예에 관한 엔진 주변의 구성도이다.
도 2는 온도와 공기의 점성 계수의 관계를 도시한 그래프이다.
도 3은 제1 실시예에 있어서의 연산 처리에 관한 흐름도이다.
도 4는 DPF에 퇴적된 PM과 배출되는 NOx의 관계를 도시한 그래프이다.
도 5는 급기의 내역을 도시하는 개념도이다.
도 6은 제2 실시예에 관한 엔진 주변의 구성도이다.
도 7은 제2 실시예에 있어서의 연산 처리에 관한 흐름도이다.
도 8은 제3 실시예에 있어서의 보정 DPF 차압 연산의 방법을 도시하는 흐름도이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 적합한 실시예를 예시적으로 상세하게 설명한다. 단 이 실시예에 기재되어 있는 구성 부품의 치수, 재질, 형상, 그 상대적 배치 등은 특별히 특정적인 기재가 없는 한은, 본 발명의 범위를 그것에 한정한다는 취지가 아니며, 단순한 설명예에 지나지 않는다.
제1 실시예
도 1은 제1 실시예에 관한 엔진 주변의 구성도이다.
엔진(2)에는, 급기 통로(4)가 접속됨과 동시에, 배기 통로(8)가 접속되어 있다.
급기 통로(4)에는, 터보 과급기(16)의 컴프레서(16a)가 설치되어 있다. 컴프레서(16a)는 후술하는 터빈(16b)에 동축 구동되는 것이다. 급기 통로(4)의 컴프레서(16a)보다도 하류측에는, 급기 통로(4)를 흐르는 급기와 대기에 의해 열교환을 행하는 인터쿨러(6)가 설치되어 있다.
배기 통로(8)에는, 터보 과급기(16)의 터빈(16b)이 설치되어 있다. 터빈(16b)은, 엔진(2)으로부터의 배기 가스에 의해 구동되는 것이다. 또한, 배기 통로(8)에는, 배기의 일부(EGR 가스)를 급기측으로 재순환시키는 EGR 통로(10)가 접속되어 있다. EGR 통로(10)에는, EGR 통로(10)를 흐르는 EGR 가스의 유량을 제어하는 EGR 제어 밸브(14)가 설치되어 있다.
배기 통로(8)의 터빈(16b)보다도 하류측에는, 배기의 후처리를 하는 배기 정화 장치(20)가 설치되어 있다. 배기 정화 장치(20)는, 산화 촉매의 작용에 의해 배기 가스 중의 탄화수소(HC)나 일산화탄소(CO)를 무해화함과 동시에 배기 가스 중의 NO를 NO2로 산화하여, DPF(24)에 의해 포집된 그을음을 연소 제거하는 기능이나, DPF(24)에 포집된 그을음을 강제 재생하는 경우에 배기 가스 중의 미연소 성분의 산화 반응열에 의해 배기 가스 온도를 상승시키는 기능을 갖는 DOC(산화 촉매)(22) 및 DOC(22)의 하류측에 설치되며, 배기 가스 중의 미립자(PM)인 그을음(soot)을 포집하는 DPF(24)를 포함하고 있다. 또한, 배기 정화 장치(20)는, DOC(22)의 입구 온도를 검지하는 DOC 입구 온도 센서(28c) 및 각각 DPF의 입구 온도, 출구 온도를 검지하는 DPF 입구 온도 센서(28a), DPF 출구 온도 센서(28b)가 설치되어 있다. 또한, DPF(24)의 출입구의 차압을 검지하는 DPF 차압 센서(26)가 설치되어 있다. 또한, 각각, DPF(24)의 입구, DPF(24)의 출구, DOC(22)의 입구, 배기 정화 장치(20)의 입구, 배기 정화 장치의 출구의 압력을 검지하는 압력 센서(30a, 30b, 30c, 30d, 30e)가 설치되어 있다.
또한, 배기 통로(8)의 터빈(16b)의 출구에는, 터빈 출구의 배기압을 검지하는 배기압 센서(32)와, 터빈 출구의 배기 가스 온도를 검지하는 배기 가스 온도 센서(34)가 설치되어 있다.
또한, 본 발명에 특징적인 구성으로서, 후술하는 보정 배기압 손실을 계산하는 연산기(50)가 설치되어 있다. 또한, 참조 부호 51은 ECU(엔진 컨트롤 유닛)이다.
연산기(50) 및 ECU(51)에 있어서의 연산 처리 및 제어에 대하여 설명한다.
도 3은 제1 실시예에 있어서의 연산 처리에 관한 흐름도이다.
처리가 개시되는, 즉 엔진이 기동되면, 스텝 S1로 진행한다.
스텝 S1에서는, 연산기(50)에 각 센서의 값이 도입된다.
스텝 S1에서 판독하는 센서값은, 압력 센서(32)에 의해 검지되는 배기압, 온도 센서(34)에 의해 검지되는 터빈 출구의 배기 가스 온도 및 흡기의 질량 유량 및 엔진(2)에의 연료 분사량이다. 상기 흡기의 질량 유량 및 연료 분사량은, 통상ECU(51)에 의해 제어되고 있기 때문에, ECU(51)가 유지하고 있는 데이터를 판독하도록 하면 된다. 또한, 흡기의 질량 유량 및 연료 분사량을 검지하는 검지 수단을 설치해도 된다.
스텝 S1이 종료되면, 스텝 S2로 진행한다.
스텝 S2에서는, 배기 가스 질량 유량을 연산한다. 배기 가스 질량 유량은, 상기 흡기의 질량 유량 및 연료 분사량을 가산하여 산출한다.
스텝 S2가 종료되면 스텝 S3으로 진행한다.
스텝 S3에서는, 배기 가스 점도 보정 계수를 계산한다. 여기서, 배기 가스 점도 보정 계수란 후술하는 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 점성 계수를, 배기 가스의 점성 계수로 나눈 것이다.
도 2는 온도와 공기의 점성 계수의 관계를 도시한 그래프이다. 도 2에 있어서 종축은 공기의 점성 계수[μ㎩ㆍs], 횡축은 온도[K]를 나타내고 있다. 도 2에 도시한 바와 같이, 온도와 공기의 점성 계수 사이에는 상관 관계가 있다.
또한, 배기 가스의 성분은 대부분이 공기이므로, 그 점성 계수는 공기와 근사할 수 있다. 따라서, 배기 가스의 온도를 알면, 도 2에 도시한 바와 같은 공기의 점성 계수와 온도의 관계를 사용하여, 배기 가스의 점성 계수를 구할 수 있다.
따라서, 스텝 S3에 있어서는, 온도 센서(34)에 의해 검지되는 터빈 출구의 배기 가스 온도를 사용하여 배기 가스의 점성 계수를 구하고, 후술하는 기준 조건에 있어서의 온도로부터 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 점성 계수를 구하고, 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 점성 계수를, 배기 가스의 점성 계수로 나눔으로써, 배기 가스 점도 보정 계수를 산출한다.
스텝 S3이 종료되면 스텝 S4로 진행한다.
스텝 S4에서는, 소정의 기준 조건에 있어서의 배기압 손실인 보정 배기압 손실을 산출한다. 여기서 기준 조건이란, 소정의 온도, 압력인 상태를 말하며 예를 들어 표준 상태(25℃, 1atm) 등을 채용할 수 있다.
보정 배기압 손실 Pex, adj는 이하의 수학식 1에 의해 산출할 수 있다.
Figure pct00001
수학식 1에 있어서, gex는 배기 가스 질량 유량[g/sec]이며 도 3에 도시한 흐름도에 있어서 스텝 S2에서 산출한 것, gexs는 기준 조건에 있어서의 배기 가스 질량 유량[g/sec], K0은 표준 온도이며 273.15K, Pex는 배기 압력[㎪], P0은 표준 압력이며 101.325㎪, Tb는 기준 조건에 있어서의 배기 가스 온도[℃], Pb는 기준 조건에 있어서의 배기 압력[㎪], η는 배기 가스의 점도 계수[μ㎩?s], ηb는 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 점도 계수[μ㎩ㆍs]이며, ηb/η는 도 3에 있어서의 스텝 S3에서 구한 배기 가스 점도 보정 계수이다.
수학식 1에 따르면, 배기압 손실에 영향을 미치는 가스 유량은 체적 유량 [㎥/s]이므로, 질량 유량에 대하여 온도, 압력을 고려한 보정을 행하고, 또한 배기 가스의 점성 계수의 보정을 곱하여 보정 배기압 손실을 구함으로써, 정확하게 기준 조건에 있어서의 보정 배기압 손실을 구할 수 있다.
본 실시예와 같이 과급기가 부착된 엔진의 경우에는, 과급기의 터빈 출구에 있어서의 보정 배기압 손실을 구한다.
또한, 유량, 온도, 압력을 검지하는 각 센서의 응답의 차이에 의해, 수학식 1에 의해 얻어진 보정 배기압 손실을 그대로 제어에 사용하는 것이 어려운 경우에는, 디지털 필터(이동 평균, 1차 지연의 필터, 고차의 로우 패스 필터 등) 처리 후의 신호를 최종적인 보정 배기압 손실로 하면 된다.
스텝 S4가 종료되면, 스텝 S5 내지 스텝 S9로 진행한다.
스텝 S5 내지 스텝 S9는 보정 배기압 손실의 사용예를 나타내고 있으며, 모두를 실시할 필요는 없고, 또한 스텝 S5 내지 스텝 S9의 순서대로 실시할 필요도 없다.
스텝 S5에 있어서는, 보정 배기압 손실에 기초하여 EGR량의 제어 목표를 결정한다. 이에 의해 DPF에의 배기 미립자의 체류에 상관없이, EGR(배기 가스 재순환)이 갖는 질소 산화물 저감 효과가 얻어진다.
도 4는 DPF에 퇴적된 미립자(PM)와 배출되는 질소 산화물(NOx)의 관계를 도시한 그래프이며, 배기압 손실이 작은 경우와 큰 경우에 대하여 도시하고 있다. 또한, 도 5는 급기의 내역을 도시하는 개념도이다.
도 5의 (a)에 있어서는, 배기압이 상승한 경우에는 EGR 가스량을 줄이고 신기(fresh air)량을 늘림으로써, 산소 과잉율을 목표의 산소 과잉율로 유지하도록 제어하고 있으며, 도 4에 있어서의 ◎→■로 나타낸 제어이다. 이 경우, 스모크 발생량은 일정하게 유지할 수 있지만, 산소 농도가 증가하기 때문에 NOX 배출이 증대된다.
도 5의 (b)에 있어서는, 배기압이 상승한 경우에는 급기 가스(신기+EGR 가스)량에 대한 신기 가스, EGR 가스의 비율이 일정해지도록 제어하고 있으며, 도 4에 있어서의 ◎→▲로 나타낸 제어이다. 이 경우, NOX 배출량은 일정하게 유지할 수 있지만, 산소량이 줄어들기 때문에 DPF에 퇴적되는 PM량이 증가한다.
보정 배기압 손실을 사용함으로써, 배기압 손실의 평가를 정확하게 행할 수 있기 때문에, 이와 같은 EGR에 관한 제어를 고정밀도로 실시할 수 있다.
또한, 스텝 S6에 있어서는, 커먼 레일 연료 분사 시스템에 대하여 보정 제어 지령을 부여함으로써, 배기압 손실 상승에 기인한 배기 가스 중 유해 물질 증가를 억제할 수 있다. 상기 보정 제어로서, 예를 들어, 레일압 업에 의한 스모크 억제, 분사 타이밍 지연에 의한 NOx 저감을 들 수 있다.
또한, 커먼 레일 연료 분사 시스템이란, 연료를 엔진의 실린더에 분사하기 전에 커먼 레일이라고 불리는 통 형상 용기 안에 초고압으로 저장해 놓고, 컴퓨터 제어에 의해 분사하는 것이다.
또한, 스텝 S7에 있어서는, 배기압 손실 상승에 의한 연비 저하가 야기하는 최대 출력 저하를 억제할 수 있다.
또한, 스텝 S8, 스텝 S9에 있어서는, 배기압 손실의 현저한 상승은 엔진 성능 저하나 연비 저하로 이어지기 때문에, DPF 재생 개시 트리거 발생의 판단이나, DPF에의 미립자의 퇴적 과대의 경보 발생의 판단 등에 배기압 손실이 사용되지만, 이때에 엔진 출구에서의 보정 배기압 손실을 사용하면 보다 적절한 판단을 행할 수 있다.
제2 실시예
도 6은 제2 실시예에 관한 엔진 주변의 구성도이다.
제1 실시예에 관한 엔진 주변의 구성도인 도 1과 동일한 부호는 동일한 작용 효과를 갖는 것이며, 그 설명을 생략한다.
도 6에 있어서, 터빈(16b)의 출구로부터 배기 정화 장치(20)의 입구에 이르기까지의 배기관 압력 손실을 검지하는 배기관 압력 손실계(34), 배기 정화 장치(20)의 출구 이후에 있어서의 배기관 압력 손실을 검지하는 배기관 압력 손실계(36)가 설치되어 있다.
도 7은 제2 실시예에 있어서의 연산 처리에 관한 흐름도이다.
처리가 개시되는, 즉 엔진이 기동되면, 스텝 S11로 진행한다.
스텝 S11에서는, 연산기(도시 생략)에 각 센서의 값이 도입된다.
스텝 S11에서 판독하는 센서값은, DPF 차압 센서(26)에 의한 DPF 전후 차압, DPF(24)의 입구 및 출구의 온도인 온도 센서(28a 및 28b)의 검지값, 흡기의 질량 유량 및 엔진(2)으로의 연료 분사량이다.
스텝 S11이 종료되면, 스텝 S12로 진행한다.
스텝 S12에서는, 배기 가스 질량 유량을 연산한다. 배기 가스 질량 유량은, 상기 흡기의 질량 유량 및 연료 분사량을 가산하여 산출한다.
스텝 S12가 종료되면 스텝 S13으로 진행한다.
스텝 S13에서는, 배기 가스 점도 보정 계수를 계산한다. 배기 가스 점도 보정 계수는, DPF(24)의 입구 및 출구의 온도인 온도 센서(28a 및 28b)의 검지값의 평균값을 배기 온도로 하고, 도 2에 있어서의 스텝 S3과 마찬가지로 하여 구한다.
스텝 S13이 종료되면, 스텝 S14로 진행한다.
스텝 S14에서는, 기준 조건에 있어서의 보정 차압을 산출한다. 여기서, 보정 차압이란, DPF의 전후 차압을 기준 조건에 있어서의 DPF의 차압으로 환산한 것이다.
보정 차압 ΔPdpf, adj는 이하의 수학식 2에 의해 산출할 수 있다.
Figure pct00002
수학식 2에 있어서, gex는 배기 가스 질량 유량[g/sec]이며 도 7에 도시한 흐름도에 있어서 스텝 S2에서 산출한 것, gexs는 기준 조건에 있어서의 배기 가스 질량 유량[g/sec], K0은 표준 온도이며 273.15K, P0은 표준 압력이며 101.325㎪, T12는 DPF 내 평균 가스 온도[℃]이며 온도 센서(28a)에 의해 검지되는 DPF의 입구 가스 온도 T1과 온도 센서(28b)에 의해 검지되는 DPF의 출구 가스 온도 T2의 평균값, P12는 DPF 내 평균 압력[㎪]이며 압력 센서(30a)에 의해 검지되는 DPF의 입구 압력 P1과 압력 센서(30b)에 의해 검지되는 DPF의 출구 압력 P2의 평균값, Tb는 기준 조건에 있어서의 DPF 내 평균 가스 온도[℃], Pb는 기준 조건에 있어서의 DPF 내 평균 가스 압력[㎪], η는 배기 가스의 점도 계수[μ㎩?s], ηb는 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 점도 계수[μ㎩ㆍs]이며, ηb/η는 도 7에 있어서의 스텝 S13에서 구한 배기 가스 점도 보정 계수이다.
수학식 2에 따르면, DPF의 전후 차압에 영향을 미치는 가스 유량은 체적 유량[㎥/s]이므로, 질량 유량에 대하여 온도, 압력을 고려한 보정을 행하고, 또한 배기 가스의 점성 계수의 보정을 곱하여 보정 배기압 손실을 구함으로써, 정확하게 기준 조건에 있어서의 보정 배기압 손실을 구할 수 있다.
또한, 유량, 온도, 압력을 검지하는 각 센서의 응답의 차이에 의해, 수학식 2에 의해 얻어진 보정 차압을 그대로 제어에 사용하는 것이 어려운 경우에는, 디지털 필터(이동 평균, 1차 지연의 필터, 고차의 로우 패스 필터 등) 처리 후의 신호를 최종적인 보정 차압으로 하면 된다.
보정 차압 ΔPdpf, adj에 대하여 로우 패스 필터 처리를 행하는 경우, 이하의 수학식 3에 의해 최종적인 보정 차압을 산출한다.
Figure pct00003
T : 로우 패스 필터(LPF) 시정수[sec]
s : 라플라스 연산자
또한, 이산 시간계로 기술하면, 이하의 수학식 4로 된다.
Figure pct00004
Ts: 디지털 필터의 연산 주기
도 7에 있어서의 스텝 S14가 종료되면, 스텝 S15로 진행한다.
스텝 S15에서는, 우선, 스텝 S11 내지 14와 마찬가지로 하여, 배기 정화 장치(20)의 상류측이며 압력 센서(32 내지 30d)간의 기준 조건에 있어서의 배기관 압력 손실 ΔPtp1, adj, 배기 정화 장치 입구측이며 압력 센서(30d 내지 30c)간의 기준 조건에 있어서의 압력 손실 ΔP43, adj, DOC 전후이며 압력 센서(30c 내지 30a)간의 기준 조건에 있어서의 압력 손실 ΔP31, adj, 배기 정화 장치 출구측이며 압력 센서(30b 내지 30e)간의 기준 조건에 있어서의 압력 손실 ΔP25, adj, 배기 정화 장치(20)의 하류측이며 압력 센서(30e) 이후의 기준 조건에 있어서의 배기관 압력 손실 ΔPtp2, adj을 구한다.
계속해서, 상기 각 압력 손실을 가산함으로써, 이하의 수학식 5에 의해 보정 배기압 손실 Pex, adj를 산출한다.
Figure pct00005
스텝 S15가 종료되면, 스텝 S16으로 진행한다.
스텝 S16 내지 스텝 S20에 대해서는, 제1 실시예에서 설명한 도 3에 있어서의 스텝 S5 내지 스텝 S9와 동일하므로 설명을 생략한다.
제2 실시예에 따르면, DPF와 DOC를 포함하는 배기 정화 장치를 갖는 엔진 시스템에 있어서 일반적인 센서 구성에서도, 소정의 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실을 구하는 것이 가능하다. 따라서, 기존의 DPF를 갖는 엔진 시스템에, 신규의 센서를 추가하지 않고, 본 발명의 기술을 적용하는 것이 가능해진다.
제3 실시예
제3 실시예에 있어서는, 보정 배기압 손실을 구하는 기본적인 플로우는 제2 실시예에서 설명한 도 7의 흐름도와 마찬가지이지만, 도 7에 있어서의 스텝 S14에 나타낸 보정 DPF 차압 연산의 연산 방법이 제2 실시예와는 상이하다.
제3 실시예에 있어서의 보정 DPF 차압 연산에 대하여, 도 8을 사용하여 설명한다.
도 8은 제3 실시예에 있어서의 보정 DPF 차압 연산의 방법을 도시하는 흐름도이다.
처리가 개시되면, 스텝 S21로 진행한다.
스텝 S21에서는, DPF 차압 센서(26)에 의해 검지되는 DPF 전후 차압이 소정의 ΔP1보다도 큰지의 여부를 판단한다.
여기서 상기 ΔP에 대하여 설명한다.
제2 실시예에 있어서, 보정 차압에 기초하는 보정 배기압 손실 계산을 실시한 경우, 배기 가스 유량이 적기 때문에 DPF의 전후 차압 ΔPdpf가 작은 운전 조건에서는, 보정 배기압 손실에 정밀도가 얻어지기 어렵다. 예를 들어, DPF 전후 차압이 1.0[㎪] 이하와 같은 작은 조건에서, DPF 전후 차압에 계측 오차가 0.1[㎪] 있었던 경우, 이것을 기준 조건에 있어서의 값으로 보정하면 5 내지 10배 정도의 큰 오차로 되어 버린다. 이와 같은, DPF 전후 차압의 계측 정밀도가 얻어지기 어려운 조건에 있어서의 데이터를, 다른 조건과 동등하게 취급하면, 보정 배기압 손실의 연산값에 큰 오차가 발생한다. 따라서, DPF 전후 차압의 계측 정밀도가 충분히 얻어지는 최소값을 ΔP1로 한다.
스텝 S21에서 '예' 즉 ΔPdpf가 ΔP1보다 크다고 판단되면, 스텝 S22로 진행한다.
스텝 S22에서는, 메모리 플래그가 ON인지의 여부를 판단한다. 여기서 메모리 플래그 ON이란, 연산기에 전회의 보정 배기압 손실이 기억되어 있는 상태를 말한다.
스텝 S22에서 '예' 즉 메모리 플래그가 ON이면, 스텝 S23으로 진행하여 통상의 연산 처리를 하여 보정 배기압 손실을 구하고 처리를 종료한다. 여기서 , 통상의 연산 처리란 제2 실시예에 있어서 설명한 수학식 2를 사용하여 보정 차압 ΔPdpf , adj이다.
스텝 S22에서 '아니오' 즉 메모리 플래그가 OFF이면, 스텝 S24로 진행하여, 수학식 2를 사용하여 보정 차압 ΔPdpf, adj를 구하고, 상기 보정 차압 ΔPdpf, adj를 채용한다. 보정 차압 ΔPdpf, adj가 구해지면, 스텝 S25로 진행하여, 구한 ΔPdpf, adj를 연산기에 기억시키고 처리를 종료한다.
스텝 S21에서 '아니오' 즉 ΔPdpf가 ΔP1 이하라고 판단되면, 스텝 S26으로 진행한다.
스텝 S26에서는, 메모리 플래그가 ON인지의 여부를 판단한다.
스텝 S26에서 '예' 즉 메모리 플래그가 ON이면, 스텝 S27로 진행하여 기억되어 있는 전회의 보정 차압 ΔPdpf, adj를 채용하고 처리를 종료한다. 스텝 S26에서 '아니오' 즉 메모리 플래그가 OFF이면, 스텝 S28로 진행하여, ΔPdpf, adj=0으로 하고 처리를 종료한다.
제3 실시예에 따르면, DPF의 전후 차압이 소정의 임계값(ΔP1)보다도 작은 상기 보정 배기압 손실의 정밀도가 얻어지기 어려운 조건에 있어서는, 보정 배기압 손실을 구하는 연산을 행하지 않고 1주기 전의 연산 결과를 채용함으로써, 보정 배기압 손실의 정밀도가 얻어지기 어려운 조건에서 연산을 실시하여 연산 결과가 악화되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 엔진 정지시에도 상기 연산 결과를 유지해 둠으로써, 엔진 재시동 직후이며 저배기 가스 유량으로 된 경우라도 적절한 보정 배기압 손실을 얻을 수 있다.
본 발명은, 엔진의 운전 상태에 따라서 시시각각 변화하는 배기압 손실을, 직접 제어에 사용할 수 있는 기준 조건에 있어서의 배기압 손실인 보정 배기압 손실로 보정할 수 있는 엔진의 배기압 손실의 연산 장치로서 이용할 수 있다.

Claims (4)

  1. 배기 가스 중의 미립자를 포집하는 필터를 배기 통로에 구비한 엔진과, 상기 배기 통로에서의 소정의 기준 조건에 있어서의 배기압 손실인 보정 배기압 손실을 연산하는 연산 수단을 갖는 엔진의 배기 통로에 있어서의 보정 배기압 손실 연산 장치이며,
    상기 배기 통로 중의 배기 압력을 측정하는 배기압 측정 수단과,
    상기 배기 통로 중의 배기 가스의 질량 유량을 측정하는 배기 가스 질량 유량 측정 수단과,
    상기 배기 통로 중의 배기 가스의 온도를 측정하는 배기 가스 온도 측정 수단을 갖고,
    상기 연산 수단은,
    상기 배기 가스의 질량 유량과 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 질량 유량의 관계와,
    상기 배기 가스의 온도와 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 온도의 관계와,
    상기 배기 압력과 상기 기준 조건에 있어서의 배기 압력의 관계와,
    상기 배기 가스의 온도 조건에 있어서의 배기 가스의 점성 계수와 상기 기준 조건에 있어서의 점성 가스의 점성 계수의 관계로부터,
    상기 배기 가스의 압력을, 상기 기준 조건에 있어서의 배기압 손실인 보정 배기압 손실로 환산하는 것인 것을 특징으로 하는, 엔진의 배기 통로에 있어서의 보정 배기압 손실 연산 장치.
  2. 배기 가스 중의 미립자를 포집하는 필터를 배기 통로에 구비한 엔진과, 상기 배기 통로에서의 소정의 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실을 연산하는 연산 수단을 갖는 엔진의 배기 통로에 있어서의 보정 배기압 손실 연산 장치이며,
    상기 배기 통로 중의 배기 가스의 질량 유량을 측정하는 배기 가스 질량 유량 측정 수단을 설치함과 동시에,
    상기 배기 통로를 적어도 상기 필터, 상기 필터의 상류측, 상기 필터의 하류측의 3개소 이상으로 분할하고,
    각 분할 개소에 대하여,
    상기 분할 개소의 전후 차압을 측정하는 분할 개소 차압 측정 수단과,
    상기 배기 통로 중의 배기 가스의 온도를 측정하는 배기 가스 온도 측정 수단을 설치하고,
    상기 연산 수단은, 상기 각 분할 개소에 대하여,
    상기 배기 가스의 질량 유량과 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 질량 유량의 관계와,
    상기 배기 가스의 온도와 상기 기준 조건에 있어서의 배기 가스의 온도의 관계와,
    상기 전후 차압과 상기 기준 조건에 있어서의 전후 차압의 관계와,
    상기 배기 가스의 온도 조건에 있어서의 배기 가스의 점성 계수와 상기 기준 조건에 있어서의 점성 가스의 점성 계수의 관계로부터,
    상기 전후 차압을, 상기 기준 조건에 있어서의 전후 차압인 보정 차압으로 환산하고,
    상기 각 분할 개소에 있어서의 보정 차압을 가산하여, 상기 기준 조건에 있어서의 압력 손실인 보정 배기압 손실을 산출하는 것을 특징으로 하는, 엔진의 배기 통로에 있어서의 보정 배기압 손실 연산 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배기 통로 상에, 상기 필터와, 상기 필터의 상류측에 배치되며 필터의 온도를 상승시키기 위한 산화 촉매를 포함하는 배기 정화 장치가 배치되고,
    상기 배기 통로를,
    상기 배기 정화 장치의 상류측, 상기 배기 정화 장치의 입구부, 상기 산화 촉매, 상기 필터, 상기 배기 정화 장치의 출구부, 상기 배기 정화 장치의 하류측의 6개소로 분할하고, 상기 6개소 각각에 대하여 상기 보정 차압을 산출하고, 상기 보정 배기압 손실을 산출하는 것을 특징으로 하는, 엔진의 배기 통로에 있어서의 보정 배기압 손실 연산 장치.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 연산 수단은,
    일정한 주기로 반복하여 상기 보정 배기압 손실을 연산하는 것임과 동시에, 1주기 전의 연산 결과를 유지하는 것이며,
    상기 필터의 전후 차압이, 소정의 임계값보다 작은 경우에, 상기 연산을 실시하지 않고 상기 1주기 전의 연산 결과를 보정 배기압 손실로 하는 것인 것을 특징으로 하는, 엔진의 배기 통로에 있어서의 보정 배기압 손실 연산 장치.
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