KR20120072745A - 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 ｄｐｆ 강제 재생 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디젤 엔진의 DPF 강제 재생 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 실질적인 작업이 정지된 상태에서도 디젤 엔진으로 임의로 비작업 부하를 제공하여 신속하게 DPF 강제 재생을 수행함을 특징으로 하는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 이를 위하여 DPF 강제 재생시 센터바이패스 컷 밸브를 구동하여 건설기계의 유압 시스템을 개방된 상태로 전환한 후 전자비례제어밸브(EPPR)와 같은 조정기를 이용하여 전자유압펌프에서 소정 유량의 작동유를 토출시키고, 이때 작동유가 개방된 센터바이패스 라인을 통해 탱크로 회수됨으로써 작동유가 작업기를 구동하지 않는 상태로 유동하게 되어 소위 비작업 부하를 생성하게 되고, 이 부하에 의해 엔진이 과열되고, 소정 온도로 배기가스의 온도가 상승하게 됨으로서 DPF 강제 재생에 필요한 온도 조건을 충족하게 됨을 특징으로 하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템 및 방법을 제공한다.

Description

전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 ＤＰＦ 강제 재생 시스템 및 방법{System and method of active DPF regeneration for construction machinery comprising electro-hydraulic pump}

본 발명은 디젤 엔진의 DPF 강제 재생 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 실질적인 작업이 정지된 상태에서도 디젤 엔진으로 임의로 비작업 부하를 제공하여 신속하게 DPF 강제 재생을 수행함을 특징으로 하는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

건설기계에서 사용되는 디젤 엔진은 다양한 규제와 기준을 충족하도록 요구받고 있다. 그러한 기준 중 하나는 배기가스에 포함되는 질소 산화물(NOx) 및 입자상 물질(PM; Particulate Matter)과 같은 오염물을 감소시키는 것으로, 건설기계를 사용함에 있어 소음에 관한 규제와 더불어 주요한 환경 기준이 될 수 있다.

이러한 환경 기준, 예컨대 Tier-4i 배기규제에 부합하기 위해서, 본 출원인은 배기가스 재순환 장치(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 및 디젤미세먼지필터(DPF; Diesel Particulate Filter) 장치와 같은 다양한 수단을 적용한 디젤 엔진을 사용하고 있다.

여기서, 디젤미세먼지필터(DPF)는 디젤 엔진에서 나온 배기가스가 배출되는 경로 상에, 예컨대 머플러 내에 매연을 포함하는 입자상 물질인 미세먼지(soot)를 포집하여 여과할 수 있는 필터를 지칭하는 것으로, 포집된 양이 일정수준 이상이 되면 배압이 높아지고 여과 성능이 저하되는 등의 문제점을 나타내었다.

따라서, 이러한 필터는 그 안에 포집된 미세먼지를 주기적으로 또는 포집된 양에 따라 임의로 제거하는 과정을 필요로 하며, 이를 통상 'DPF 재생(Regeneration)' 또는 '연소 제거'라 한다.

이러한 재생은 그 구현 방식에 따라 자연 재생(passive regeneration)과 강제 재생(active regeneration)으로 크게 구분될 수 있다. 특히 DPF 강제 재생이라 함은, 운전자가 실질적으로 작업을 실시하지 않으면서 강제로 건설기계의 엔진을 구동하여 고온의 배기가스를 배출하고, 이 배기가스의 온도에 기초하여 배기 경로 상에 투입된 소량의 연료가 역시 배기 경로 상에 미리 배치되어 있는 디젤산화촉매장치(DOC)와 발열 반응을 일으켜 미세먼지의 연소(재생)에 필요한 온도로 배기가스의 온도를 더 높임으로써 필터 내에 포집되어 있는 미세먼지를 연소시키는 방식을 말한다.

통상 엔진은 아이들 구동 상태보다 부하를 받아 구동하는 경우에 더 높은 온도의 배기가스를 배출하게 된다. 그러나, 자연 재생의 경우와 달리 강제 재생의 경우는 건설기계가 정지된 상태에서 실질적인 무부하 상태(아이들 상태)로 엔진이 구동되기 때문에 배기가스의 온도가 DOC의 발열 반응이 가능한 소정 온도까지 높아지기까지 상당한 시간이 요구되는 것이다. 따라서, 작업을 실시하지 않으면서 엔진에 부하를 걸기 위해 소위 '비작업 부하'를 생성하도록, 예컨대 펌프가 작동유를 토출하도록 강제 제어하는 절차를 수행하는 것이 요구된다.

한편, 최근에는 기존의 유압 신호가 아닌 전자 제어 신호를 받아 구동되는 전자유압펌프를 포함하는 건설기계가 개발되고 있다. 예컨대, 도 1은 이러한 전자유압펌프를 포함하는 구조의 유압 회로도의 일 예를 도시한다. 참고로, 도 1의 유압 시스템은 운전자의 조작을 전달하는 파일럿 라인, 실제 작업을 수행하는 작업기 등과 같은 요소에 대한 상세는 생략된 것이다.

도 1을 참조하면, 이러한 건설기계는 디젤 엔진(20)에 의해 구동되는 전자유압펌프(10a, 10b)를 포함하며, 전자유압펌프(10a, 10b)는 예컨대 전자비례제어밸브(EPPR)와 같은 조정기(12a, 12b)를 통해 제어기(50)로부터 전달되는 전자 제어 신호(예컨대, 전류 신호)를 받아 그 토출 유량이 조정될 수 있다. 또한, 전자유압펌프(10a, 10b)로부터 토출되는 작동유는 다수의 메인제어밸브(MCV)(30)를 통해 다수의 작업기(도시되지 않음) 등으로 공급되어 이들 작업기를 구동하게 된다. 디젤 엔진(20)은 또한 엔진 제어기(ECU)(22)에 의해 제어된다.

이러한 유압 회로는 예컨대, 밀폐형 구조를 갖는다. 즉, 유압 회로는 각 전자유압펌프(10a, 10b)에 대해 대응하는 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)와, 이의 작동을 제어하는 센터바이패스 컷 솔레노이드 밸브(42)를 포함하며, 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)가 닫힌 상태에서 유압 회로가 밀폐형으로 유지된다.

이처럼, 밀폐형 시스템으로 구성되는 건설기계의 경우, 기본적으로 사용자가 필요로 하는 토크(유압 펌프에서는 압력, 유량의 함수)만을 생성시키기 때문에, 아이들 상태의 디젤 엔진에서 발생하는 토크는 이론상 "0"에 가깝다.

따라서, 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 경우에 DPF를 강제 재생하기 위해서 밀폐형 시스템임에도 불구하고 전자유압펌프가 작업기를 구동하지 않으면서 작동유를 토출하여 소위 비작업 부하를 생성할 수 있는 수단이 강구되어야 한다.

본 발명의 목적은 전자유압펌프를 포함하는 건설기계에 대해 DPF 강제 재생을 실시하기 위한 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 디젤 엔진이 비작업 부하를 받아 신속하게 고온의 배기가스를 배출하도록 함으로써 고온의 배기가스가 DOC와 발열 반응을 일으켜 DPF 내 포집된 미세먼지를 연소할 수 있도록 하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 신속한 DPF 강제 재생을 실시함으로써 강제 재생과 관련하여 소모되는 연료량을 최소화할 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예는 디젤 엔진과; 디젤 엔진에 의해 구동되는 유압 펌프, 유압 펌프에서 토출되는 작동유에 의해 구동되는 다수의 작업기, 및 센터바이패스 컷 밸브를 포함하는 유압 시스템과; 디젤 엔진에서 나온 배기가스로부터 오염물질을 여과하는 디젤미세먼지필터(DPF); 및 소정 온도에서 연료와 발열 반응을 일으키는 디젤산화촉매장치(DOC)를 포함하는 DPF 재생 수단;을 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템으로서, 이때 유압 펌프가 유압 시스템이 밀폐된 상태에서 전류 제어를 통해 토출 유량이 조절되는 전자유압펌프일 때, DPF의 강제 재생을 위해, 센터바이패스 컷 밸브가 구동되어 유압 시스템이 개방된 상태에서 작업기의 구동 없이 전자유압펌프의 토출 유량만이 증가하여 비작업 부하가 생성되고, 비작업 부하에 의해 디젤 엔진의 발열량이 증가함으로써, 배기가스가 소정 온도로 상승하는 것을 특징으로 하는, 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템을 제공한다.

또한 본 발명에 있어서, 유압 시스템은 작업기 각각의 구동을 지시하는 파일럿 압력을 전달하는 경로 상에 배치되고 작동시 파일럿 압력의 전달을 차단하도록 구성되는 세이프티 컷오프 밸브를 더 포함하고, 이때 세이프티 컷오프 밸브는 DPF 재생 이전에 작동되고 DPF 재생 이후에 작동 해제되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명에 있어서, 전자유압펌프는 전자비례제어밸브(EPPR)를 통해 수신된 제어 전류에 기초하여 토출 유량이 제어되는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 다른 실시예는 전술한 실시예의 DPF 강제 재생 시스템에서 DPF를 강제 재생하는 방법으로서, a) DPF 강제 재생 지시를 수신하는 단계와; b) 센터바이패스 컷 밸브를 구동하여 시스템을 개방하고 전자비례제어밸브(EPPR)로 임의의 제어 전류를 제공하여 대응하는 전자유압펌프가 소정 유량의 작동유를 토출하도록 조정하는 단계와; c) 전자유압펌프의 작동유 토출에 의해 발생하는 비작업 부하를 통해 상기 디젤 엔진이 과열되는 단계; 및 d) 소정 온도로 가열된 배기가스가 배출되는 경로 상의 디젤산화촉매장치(DOC)로 연료를 투입함으로써 발열 반응을 일으켜 DPF 강제 재생을 실시하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 방법을 제공한다.

또한 본 발명의 방법에 있어서, DPF 강제 재생 시스템은 파일럿 압력의 전달을 차단하도록 구성되는 세이프티 컷 오프 밸브를 더 포함하고, 이때 b) 단계는 세이프티 컷 오프 밸브가 작동되어 있는 경우에 한해 수행되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 전자유압펌프를 포함하는 건설기계에 대해 DPF 강제 재생을 실시하기 위한 시스템 및 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 디젤 엔진이 비작업 부하를 받아 신속하게 고온의 배기가스를 배출하도록 함으로써 고온의 배기가스가 DOC와 발열 반응을 일으켜 DPF 내 포집된 미세먼지를 연소할 수 있도록 할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 신속한 DPF 강제 재생을 실시함으로써 강제 재생과 관련하여 소모되는 연료량을 최소화할 수 있다.

도 1은 전자유압펌프를 포함하는 통상의 유압 회로도를 간략하게 도시한 도;
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 간략하게 도시한 도;
도 3은 도 2의 시스템이 작동되는 예시적인 절차를 도시한 순서도; 및
도 4는 비작업 부하를 생성하기 위한 제어 로직의 일 예를 도시한 순서도이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 간략하게 도시한 도이다. 도 2를 참조하여, 본 발명에 사용된 건설기계의 유압 회로를 간략히 설명하면 다음과 같다.

본 실시예의 건설기계는 전자유압펌프(10a, 10b)를 포함한다. 전자유압펌프(10a, 10b)는 예컨대 전자비례제어밸브(EPPR)와 같은 조정기(12a, 12b)를 통해 사판각이 조절되어 토출되는 유량을 조절할 수 있다. 전자비례제어밸브(EPPR)는 제어기(50)로부터 전류 신호(전자 제어 신호)를 받아 펌프 내 사판각을 조절할 수 있다.

전자유압펌프(10a, 10b)로부터 토출된 작동유는 다수의 메인제어밸브(MCV)(30)를 통해 대응하는 개개의 작업기(도시되지 않음)로 공급되어 해당 작업기를 구동한다. 이들 작업기는 붐, 암, 버켓 등과 같은 전방 작업기와 주행 펌프, 선회 펌프 등과 같은 주행/조향 수단, 그리고 팬 등과 같은 냉각 수단 등을 포함할 수 있다.

또한, 센터바이패스 컷 솔레노이드 밸브(42)에 의해 구동될 수 있는 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)가 구비되어 있다. 통상의 경우에, 전자유압펌프(10a, 10b)를 포함하는 유압 시스템은 이들 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)가 폐쇄된 상태에서, 즉 밀폐형 시스템에서 구동된다. 즉, 이 시스템에서, 전자유압펌프(10a, 10b)는 각 작업기에서 요구하는 양의 작동유만을 토출하도록 제어된다.

한편, 이러한 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)는 통상 특정한 경우에만 작동되어 시스템을 개방한다. 예컨대, 건설기계에 시동을 걸 때, 작동유의 온도를 일정 온도 이상으로 유지하여 난기 상태를 구현할 때, 그리고 상부 선회체의 선회를 정지할 때, 모두 3가지 경우에 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)가 개방된다.

덧붙여, 조종석 내 조이스틱(60)에 의해 운전자의 작업 지시가 전달될 수 있으며, 통상 전자유압펌프(10a, 10b)에 대해서는 전류 신호를 그리고 각 메인제어밸브(30)에 대해서는 압력 신호(도시되지 않음)를 제공한다. 이때, 조이스틱(60)의 작업 지시에 해당하는 신호는 세이프티 컷오프 밸브(62)를 경유하여 전달되며, 세이프티 컷오프 밸브(62)의 작동 여부에 따라 운전자의 작업 지시가 전달되거나 전달되지 않도록 제어될 수 있다.

또한, 이러한 전자유압펌프(10a, 10b)는 디젤 엔진(20)에 연결되어 디젤 엔진의 출력을 받아 구동된다. 디젤 엔진(20)은 예컨대 엔진 제어기(ECU)(22)에 의해 제어되며, 작동시 발생하는 배기경로(24)를 따라 외부로 배기된다.

이러한 배기경로(24) 상에는 디젤미세먼지필터(DPF)(70)와, 그 전단에 구비된 디젤산화촉매장치(DOC)(72)가 배치되고, 디젤산화촉매장치(72)에 대해 연료를 투입할 수 있는 연료 투입 수단(74)이 또한 배치되어 있다. 이들 디젤미세먼지필터(70), 디젤산화촉매장치(72) 및 연료 투입 수단(74) 등을 포함하는 일련의 장치를 일컬어 배기가스에 대한 '후처리 수단' 또는 'DPF 재생 수단'이라 한다.

예컨대, 디젤미세먼지필터(70)를 통해 배기가스 내 함유되어 있는 미세 입자(PM)와 같은 오염 물질을 여과하고, 여과 후 포집되어 있는 미세 먼지 등을 디젤산화촉매장치의 발열 반응을 통해 연소시킴으로써 제거할 수 있다. 발열 반응을 위한 온도 조건으로서 고온의 배기가스가 요구된다.

이러한 시스템에서, DPF 강제 재생이 실시되는 과정을 정리하면 다음과 같다. 예컨대, DPF 강제 재생의 전제 조건으로서 다음의 2가지 조건이 만족되어야 한다. 먼저 조종석 내 조이스틱(60)의 조작 신호(예컨대, 유압 신호)가 각 메인제어밸브(30)로 전달되는 것을 방지하기 위해, 세이프티 컷오프 밸브(62)가 OFF 상태로 구동되어 있어야 한다. 또한 DPF 강제 재생의 시작에 관한 운전자의 강제 재생 지시(예컨대, 강제 재생 스위치로 구현할 수 있다)가 있어야 한다.

예컨대, 본 실시예의 DPF 강제 재생 과정에서는 전자비례제어밸브(12a, 12b)로 공급되는 제어 전류를 통해 전자유압펌프(10a, 10b)에서 임의의 부하, 예컨대 비작업 부하가 발생하여 엔진이 과열된 상태로 유지되기 때문에, 운전자의 실수나 오조작을 통해 조이스틱이 조작되어 해당 작업 지시(예컨대, 유압 신호)가 각 메인제어밸브 등으로 전달된다면, 그에 따라 엔진에 급작스러운 변화를 주게 되어 엔진에 무리가 갈 수 있다. 이에 세이프티 컷오프 밸브(62)는 반드시 DPF 강제 재생 이전에 OFF 상태로 구동되어 조이스틱에 의한 작업 지시가 시스템으로 전달되는 것을 방지하고, DPF 강제 재생 이후에 ON 상태로 구동되어 통상적인 조이스틱을 통한 작업 지시의 전달이 가능하게 되도록 할 수 있다.

따라서, 본 실시예의 DPF 강제 재생은 세이프티 컷오프 밸브의 OFF 상태로의 구동과 운전자의 DPF 강제 재생 지시 2가지를 시작 조건으로서 확인한다.

이러한 시작 조건이 확인된 상태에서, 본 실시예의 DPF 강제 재생은 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)를 개방하여 시스템을 개방된 상태로 전환한 후, 전자비례제어밸브(EPPR)(12a, 12b)로 임의의 제어 전류를 인가함으로써, 전자유압펌프(10a, 10b)가 적절한 유량의 작동유를 토출하도록 한다.

이 실시예의 시스템에서 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)를 구동하여 시스템이 개방된 상태이기 때문에, 전자유압펌프(10a, 10b)로부터 토출된 작동유는 작업기로(예컨대, 각 메인제어밸브(30)를 통해) 공급되지 않고, 센터바이패스 라인을 통해 탱크로 회수될 수 있다.

전자유압펌프(10a, 10b)가 적절한 유량의 작동유를 토출함에 따라, 임의의 부하, 예컨대 비작업 부하가 생성되고, 이에 디젤 엔진(20)이 부하를 받아 일을 하면서 과열되어 디젤 엔진(20)으로부터 배기되는 배기가스의 온도가 상승하게 된다.

배기가스의 온도가 강제 재생에 요구되는 소정의 온도까지 상승하게 되면, 배기 경로 상에 배치된 DOC(72)로 연료 투입 수단(74)에서 연료가 주입(dosing)되어 연료와 DOC 간의 발열 반응이 일어나고, 이에 배기가스는 더 높은 고온으로 가열되어 DOC(72) 후단의 DPF(70) 내에 포집되어 있는 미세 먼지(Soot) 등을 연소하여 제거하게 된다.

도면에 도시되어 있지는 않지만, ECU(22)는 디젤 엔진(20) 및 DPF(70) 등의 온도를 측정하기 위한 온도 센서와, DPF(70)를 기준으로 전후단의 압력을 측정하기 위한 압력 센서 등에 연결되어 이들 센서로부터 측정값을 수신할 수 있다. 수신된 측정값에 기초하여, ECU(22)가 적절한 제어를 수행할 수 있다.

예를 들면, DPF(70)의 온도를 측정함으로써, DPF 강제 재생에 요구되는 온도에 도달하였는지 여부를 판단할 수 있고, 또는 DPF(70) 전후단의 압력을 측정함으로써, DPF(70)에 걸리는 배압의 크기를 판단할 수 있다. 또한 이들 측정값은 제어부(50)로 전달되어 제어부(50)가 제어 신호를 출력함에 있어 판단의 기준으로 활용될 수 있다.

전술한 DPF 강제 재생의 시작 조건에 대응하는 개념으로, DPF 강제 재생의 종료 조건이 설정될 수 있다. 예컨대, DPF 강제 재생은 운전자가 의도적으로 종료 지시를 내리거나 또는 엔진의 ECU(22)에서 재생이 완료되었음을 알리는 신호를 접수할 때 종료될 수 있다. 예컨대, DPF 강제 재생이 소정 시간 동안 이루어지거나 또는 DPF(70)에 걸리는 배압이 소망의 값 이하로 떨어질 때, ECU(22)는 재생이 완료되었음을 알리는 신호를 접수하게 된다.

이러한 종료 조건이 부합되면, 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)가 구동되어 시스템을 밀폐된 상태로 전환하고, 전자비례제어밸브(EPPR)(20a, 20b)에 대한 제어 전류는 정상값으로 환원되어 공급된다. 예를 들어, ECU에 의한 재생 완료 신호의 접수는 DPF 강제 재생의 자동적 종료 조건이 될 수 있고, 운전자의 조작에 의한 종료 지시는 DPF 강제 재생의 수동적 종료 조건이 될 수 있다. 이후, 마지막으로 세이프티 컷오프 밸브(62)가 ON 상태로 구동됨으로써, 운전자에 의한 조이스틱(60)의 조작 신호가 정상적으로 예컨대 각 메인제어밸브(30)로 전달될 수 있게 된다. 즉, DPF 강제 재생 이전의 시스템으로 환원된다.

이상에서 기술한 바와 같이, 전자유압펌프를 포함하는 건설기계에 관한 본 발명의 실시예에서, DPF 강제 재생은, 센터바이패스 컷 밸브를 구동하여 시스템을 개방형으로 전환하고 전자유압펌프 내 사판각을 조정하기 위한 조정기인 전자비례제어밸브(EPPR)로 임의의 제어 전류를 인가함으로써 개방된 시스템 하에서 전자유압펌프가 소정 유량의 작동유를 토출하도록 함으로써 수행될 수 있다. 즉, 센터바이패스 라인을 개방한 상태에서 전자유압펌프가 작동유를 토출함으로써 작업기를 구동하지 않는 비작업 부하를 생성할 수 있고, 이 부하에 의해 디젤 엔진이 과열되어 고온의 배기가스를 배출하게 되고, 이 고온의 배기가스에 의해 디젤산화촉매장치(DOC)와 그로 투입되는 연료 사이의 발열 반응을 일으켜, 이 발열 반응에 의해 생성되는 더욱 높은 온도에서 DPF 내에 포집되어 있는 미세 먼지(Soot) 등이 연소됨으로써, DPF 강제 재생이 수행될 수 있다.

이하, 전술한 시스템에서 DPF 강제 재생이 수행되는 절차를 살펴본다. 도 3은 도 2의 시스템이 작동되는 예시적인 절차를 도시한 순서도이고, 도 4는 비작업 부하를 생성하기 위한 제어 로직의 일 예를 도시한 순서도이다. 이들 도면을 참조하여, 본 발명에 따라 DPF 강제 재생이 수행되는 절차를 확인해 본다.

도 3에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 DPF 강제 재생 방법은 DPF 강제 재생 스위치가 ON으로 조작되어, 예컨대 운전자에 의한 DPF 강제 재생 지시를 수신하는 단계(단계 S110)에서 시작한다.

강제 재생을 수행하기에 앞서, 세이프티 컷오프 밸브가 작동되어 OFF 상태인지 여부를 확인하는 단계가 진행된다(단계 S120). 이는 앞서 설명한 바와 같이, DPF 강제 재생을 수행하기 위한 시작 조건에 부합하는지 여부를 확인하는 절차에 해당한다.

만일 세이프티 컷오프 밸브가 OFF 상태가 아닌 ON 상태인 경우라면, 절차는 종료된다. 세이프티 컷오프 밸브의 작동 여부는, 앞서 설명한 바와 같이, DPF 강제 재생을 수행함에 있어, 운전자의 실수나 오조작 등에 의한 엔진의 급작스러운 손상을 방지하기 위한 것으로, DPF 강제 재생은 반드시 세이프티 컷오프 밸브가 OFF 상태로 구동되어 있는 조건하에서 수행되는 것이 바람직하다.

한편, 세이프티 컷오프 밸브가 OFF 상태로 작동되어 있음이 확인된 이후에, 절차는 전자유압펌프가 비작업 부하를 생성하는 단계(단계 S130)로 진행된다. 이때 본 발명의 시스템이 통상의 밀폐된 상태에서 개방된 상태로 전환될 수 있도록, 예컨대 센터바이패스 컷 밸브를 개방 상태로 구동하고(단계 S132), 이후 개방된 시스템 상태에서 전자비례제어밸브(EPPR)로 임의의 제어 전류를 인가함으로써 EPPR이 대응하는 전자유압펌프의 사판각을 조정하도록 하여, 전자유압펌프에서 임의 유량의 작동유가 토출될 수 있도록 한다(단계 S134).

이 작동유는 개방된 센터바이패스 라인을 통해 탱크로 회수됨으로써, 작업기를 우회하여 유동하고, 이에 실질적으로 작업기가 구동하지 않는 상태의 비작업 부하를 일으킬 수 있다. EPPR로 인가되는 제어 전류에 관한 상세에 관한 일 예는 도 4를 참고로 후술하기로 한다.

이후, 비작업 부하를 받은 디젤 엔진이 과열되고(단계 S140), 과열된 디젤 엔진으로부터 배기되는 고온의 배기가스가 소정의 온도에 도달하게 된다.

여기서, 소정의 온도는 이후 배기가스가 통과하게 되는 디젤산화촉매장치(DOC)와 그로 투입되는 연료 사이에 발열 반응을 야기할 수 있는 온도이다. 즉, 소정의 온도로 가열된 배기가스가 디젤산화촉매장치(DOC)를 통과하게 되고 이때 DOC로 연료가 투입되면, DOC와 투입된 연료 사이에 발열 반응이 일어나게 된다(단계 S150).

이 발열 반응에 의해 배기가스가 더 높은 온도로 가열되고, 이처럼 가열된 배기가스가 DOC 후단의 디젤미세먼지필터(DPF)를 통과하면서, DPF 내에 포집되어 있던 미세 먼지(Soot) 등을 연소하여 제거함으로써, DPF의 강제 재생을 수행하게 된다(단계 S160).

이후 전술한 바와 같은 소정의 종료 조건에 부합되면, DPF 강제 재생이 종료하게 된다.

다음으로, 본 발명의 특징에 따라 전자유압펌프에서 임의의 비작업 부하를 생성하는 과정을 도 4를 참조하여 예시적으로 설명한다. 참고로, 엔진의 필요 발열량, 즉, 배기가스의 온도를 소정의 온도까지 높이기 위해 필요로 하는 엔진의 발열량에 맞추어 전자유압펌프의 부하(토크)가 생성되어야 한다.

단계 S1302에서 예시적으로 기술된 것처럼, 센터바이패스 컷 밸브는 센터바이패스 컷 솔레노이드 밸브를 구동하여 작동된다. 이 솔레노이드 밸브는 상시 센터바이패스 컷 밸브를 폐쇄된 상태로 유지하고, 구동시 개방하는 형태가 될 수 있다(예컨대, NC; Normal Close). 또한, 이 단계에서 전류비례제어밸브(EPPR)로 임의의 제어 전류, 예컨대 I mA가 인가된다. 여기서, I는 임의로 설정된 초기값(initial)을 의미한다.

다음으로 단계 S1304에서 예시적으로 기술된 것처럼, 전자유압펌프의 사판각은 초기값(예컨대, 각 센서의 측정값 0 volt에 대응하는 각도)으로 유지되고 전자유압펌프 내 압력은 P bar로 유지되어 있다.

다음으로, 단계 S1306에서 예시적으로 기술된 것처럼, 전자유압펌프에 대해 다음과 같이 소요마력(전효율 감안)을 계산한다:

Power (PS) = (P1 펌프 마력 + P2 펌프 마력) × 효율

펌프 마력 = 압력 (bar) × 유량 (lpm) / 450

여기서, P1, P2는 각각 좌우 한 쌍의 전자유압펌프 중 하나를 지칭하고, Power는 소요마력을 의미한다.

또한, 이와 병행하여 단계 S1312에서 예시적으로 기술된 것처럼, 디젤 엔진의 ECU에서 DPF 강제 재생에 대한 임의 설정값들이 제시된다.

예컨대, DPF 강제 재생을 위해 필요한 토크와, ECU 엔진 토크 부하율이 각각 소정의 기준치로서 제시되고, 필요 토크에 맞게 "토크" 및 rpm 값을 기준치로 세팅한다. 이때 엔진 토크 부하율에 관한 기준치는 약 90%로 제시되어 있다. 여기서, 엔진 토크 부하율은 전자유압펌프가 임의 토크 부하율을 넘지 않도록 함으로써 엔진이 안정적으로 구동될 수 있도록 하기 위한 기준이 될 수 있다.

다음으로, 단계 S1314에서 디젤 엔진의 ECU에서 엔진 토크 부하율이 Z%로 결정된다.

이제, 단계 S1308에서 ECU에서 얻은 엔진 토크 부하율(Z%)이 기준치(예컨대, 90%) 이하인지 여부를 판단한다. 만일 엔진 토크 부하율(Z%)이 기준치(예컨대, 90%) 이하라면, 단계 S1310에서 예시적으로 기술된 바와 같이, 전자비례제어밸브(EPPR)로 인가되는 제어 전류의 값이 I mA에서 (I+a) mA로 a mA 만큼 증분되고, 이후 절차는 단계 S1304로 진행되어 이후 단계가 반복 속행된다.

만일 엔진 토크 부하율(Z%)가 기준치(예컨대, 90%)를 초과한다면, 단계 S1316에서 예시적으로 기술된 바와 같이, 최종적인 제어 전류값[예컨대, (I+a) mA]에 기초하여 EPPR이 해당 전자유압펌프의 사판각을 조정함으로써 그에 해당하는 유량의 작동유를 토출하게 된다.

이처럼, 소정의 절차를 통해 결정되는 임의의 제어 전류값에 기초하여 EPPR이 전자유압펌프의 사판각을 구동하여 대응하는 유량의 작동유를 토출하도록 함으로써, 그에 대응하는 비작업 부하가 생성될 수 있다.

도 4의 순서도는 본 발명의 특징을 설명하기 위하여 예시적으로 기술된 것이며, 본 발명이 이로 한정되지 않는다는 점은 자명하다. 즉, EPPR로 임의의 제어 전류가 인가되고, 이에 기초하여 EPPR이 전자유압펌프의 사판각을 조정함으로써 소정 유량의 작동유가 토출되도록 한다는 전제 하에서, 임의로 변경 수정될 수 있음은 자명하다.

이상에서 기술된 바와 같이, 본 발명은 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 경우에 DPF 강제 재생을 수행하기 위한 시스템 및 방법을 제시하고 있다. 예를 들어, 운전자가 DPF 강제 재생의 시작을 지시할 때, DPF 강제 재생의 시작 조건으로서 세이프티 컷오프 밸브가 OFF 상태로 구동되어 있는지 여부를 확인하는 단계를 수행함으로써, 본 발명은 DPF 강제 재생시 운전자의 실수나 오조작에 의한 작업기의 구동을 미연에 방지할 수 있고, 이를 통해 DPF 재생 중인 엔진이 작업기의 구동에 따른 손상을 입는 것을 방지할 수 있다.

또한, 통상 밀폐형 시스템에서 작동되는 전자유압펌프의 특성상, 시스템을 개방형으로 전환하기 위해서 센터바이패스 컷 밸브를 구동하여 센터바이패스 라인을 개방시키는 단계를 수행한다. 이처럼 시스템이 개방된 상태에서, 전자유압펌프를 조작하여 소정 유량의 작동유를 토출하도록 함으로써 비작업 부하를 생성할 수 있다. 구체적으로는, 전자유압펌프에는 전자비례제어밸브(EPPR)와 같은 조정기가 연결되어 있으며, 이에 EPPR로 소정 값의 제어 전류를 인가함으로써 전자유압펌프 내의 사판각을 조정하여 토출 유량을 조절할 수 있다.

이후, 생성된 비작업 부하에 의해 디젤 엔진이 과열되고, 엔진의 과열에 의해 DOC와 연료 사이의 발열 반응(촉매반응)에 필요한 소정 온도까지 배기가스의 온도가 높아지고, 이 발열 반응에 의해 더 높은 온도로 가열된 배기가스가 DPF 내에 포집되어 있는 미세 먼지(soot) 등을 연소하여 제거함으로써 DPF 강제 재생이 수행될 수 있다.

마지막으로, ECU가 DPF 재생 완료 신호를 접수하거나 또는 운전자가 의도적으로 DPF 강제 재생을 종료하는 조작을 실시할 때, DPF 강제 재생이 종료하게 된다.

이상과 같은 시스템과 방법을 통해, 전자유압펌프를 포함하는 유압 시스템을 구비한 건설기계에서 DPF 강제 재생이 용이하고 바람직한 절차를 통해 실시될 수 있다.

DPF 강제 재생을 수행하기 위해 비작업 부하를 생성하도록 함으로써, 엔진이 소정 온도까지 과열되는 시간을 촉진하여, 실제 DPF 재생에 소요되는 시간을 크게 줄일 수 있다. 이에, DPF 강제 재생을 위해 소모되는 연료량(예컨대, 디젤 엔진을 구동하기 위해 사용되는 연료 및 DOC로 투입되는 연료의 합)이 실질적으로 저감되어 비용의 절감을 도모할 수 있다.

또한, 세이프티 컷오프 밸브와 같은 안전장치를 활용함으로써, DPF 강제 재생시 발생할 수 있는 엔진 등의 손상을 미연에 방지할 수 있다.

100: 시스템
10a, 10b: 전자유압펌프
12a, 12b: 전자비례제어밸브(EPPR), 조정기
20: 디젤 엔진
22: 엔진 제어기(ECU)
24: 배기 경로
30: 메인제어밸브(MCV)
40a, 40b: 센터바이패스 컷 밸브
42: 센터바이패스 컷 솔레노이드 밸브
50: 제어기
60: 조이스틱
62: 세이프티 컷오프 밸브
70: 디젤미세먼지필터(DPF)
72: 디젤산화촉매장치(DOC)
74: 연료 투입 수단

Claims (5)

1. 디젤 엔진(20);
   상기 디젤 엔진(20)에 의해 구동되는 유압 펌프(10a, 10b), 상기 유압 펌프에서 토출되는 작동유에 의해 구동되는 다수의 작업기, 및 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)를 포함하는 유압 시스템;
   상기 디젤 엔진(20)에서 나온 배기가스로부터 오염물질을 여과하는 디젤미세먼지필터(DPF)(70); 및
   소정 온도에서 연료와 발열 반응을 일으키는 디젤산화촉매장치(DOC)(72)를 포함하는 DPF 재생 수단;을 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템으로서,
   상기 유압 펌프가 상기 유압 시스템이 밀폐된 상태에서 전류 제어를 통해 토출 유량이 조절되는 전자유압펌프(10a, 10b)일 때,
   상기 DPF의 강제 재생을 위해, 상기 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)가 구동되어 상기 유압 시스템이 개방된 상태에서 작업기의 구동 없이 상기 전자유압펌프(10a, 10b)의 토출 유량만이 증가하여 비작업 부하가 생성되고, 상기 비작업 부하에 의해 상기 디젤 엔진(20)의 발열량이 증가함으로써, 상기 배기가스가 상기 소정 온도로 상승하는 것을 특징으로 하는, 전자유압펌프(10a, 10b)를 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 유압 시스템은,
   상기 작업기 각각의 구동을 지시하는 파일럿 압력을 전달하는 경로 상에 배치되고 작동시 상기 파일럿 압력의 전달을 차단하도록 구성되는 세이프티 컷오프 밸브(62)를 더 포함하고,
   상기 세이프티 컷오프 밸브(62)는 상기 DPF 재생 이전에 작동되고 상기 DPF 재생 이후에 작동 해제되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 전자유압펌프(10a, 10b)는 전자비례제어밸브(EPPR)(12a, 12b)를 통해 수신된 제어 전류에 기초하여 토출 유량이 제어되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템.
4. 제 1 항에 따른 DPF 강제 재생 시스템에서 DPF를 강제 재생하는 방법으로서,
   a) DPF 강제 재생 지시를 수신하는 단계;
   b) 센터바이패스 컷 밸브를 구동하여 시스템을 개방하고 전자비례제어밸브(EPPR)로 임의의 제어 전류를 제공하여 대응하는 전자유압펌프가 소정 유량의 작동유를 토출하도록 조정하는 단계;
   c) 전자유압펌프의 작동유 토출에 의해 발생하는 비작업 부하를 통해 상기 디젤 엔진이 과열되는 단계; 및
   d) 소정 온도로 가열된 배기가스가 배출되는 경로 상의 디젤산화촉매장치(DOC)로 연료를 투입함으로써 발열 반응을 일으켜 DPF 강제 재생을 실시하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 DPF 강제 재생 시스템은 파일럿 압력의 전달을 차단하도록 구성되는 세이프티 컷 오프 밸브를 더 포함하고,
   상기 b) 단계는 상기 세이프티 컷 오프 밸브가 작동되어 있는 경우에 한해 수행되는 것을 특징으로 하는 건설기계의 DPF 강제 재생 방법.

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