KR20150065425A - 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템 및 이에 의한 dpf 재생 제어방법 - Google Patents

디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템 및 이에 의한 dpf 재생 제어방법 Download PDF

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Abstract

디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템 및 이에 의한 DPF 재생 제어방법이 개시된다. 본 발명의 일 측면에 따른 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템은, 클린 상태 DPF 전단과 후단의 압력을 검출하는 센서부와, 센서부의 검출 값에 기반하여 클린 상태 DPF의 초기 차압(Pf)을 산출하는 제1 연산부와, 배기유량 별 클린 상태 DPF의 차압 정보가 입력되어 있는 정보저장부와, 클린 상태 DPF의 차압 편차(ΔP)를 도출하는 비교도출부와, 차압 편차(ΔP)에 기초하여 어떤 보상 값을 선택할지를 판단하는 판단부와, 판단부가 선택한 보상 값을 적용하여 실제 재생 차압을 산출하는 제2 연산부로 이루어지는 것을 구성의 요지로 한다.

Description

디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템 및 이에 의한 DPF 재생 제어방법{Exhaust gas after treatment device of diesel engine and Diesel Particulate Filter regeneration methods}
본 발명은 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템 및 이에 의한 DPF 재생 제어방법에 관한 것으로, 상세하게는 디젤 엔진의 배기가스에 포함된 오염물질을 최소화하기 위해 디젤엔진 적용 차량에 채택되는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템 및 이에 의한 DPF 재생 제어방법에 관한 것이다.
디젤 엔진 등의 내연 기관으로부터 배출되는 배기 가스에 관한 규제는 해마다 강화되어 오고 있으며, 이러한 규제의 강화에 대응하여 배기 가스 필터나, 그 필터에 사용하는 촉매의 기술도 급속하게 진보하고 있다. 예를 들어, 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기 가스 중에 포함되는 입자상 물질(Particulate Matter: 이하, PM이라 다)을 저감하는 기술로서, 디젤 입자 필터(Diesel Particulate Filter: 이하, DPF라 한다)가 개발되어 있다.
DPF는 디젤 엔진으로부터 배출되는 배기 가스 중에 포함되는 PM을 포집함으로써 대기 중에 배출되는 PM의 양을 저감시키는 것이다. DPF는 포집되어, 퇴적된 PM을 연소 제거함으로써 포집 능력을 회복하며 이를 일반적으로 DPF 재생이라 한다.
DPF에 퇴적된 PM은 어느 일정 이상의 고온의 배기 가스에 노출됨으로써 연소되어 제거되나(자연 재생), 디젤 엔진에 대한 부하가 가벼운 경우에는 배기 가스의 온도는 PM의 연소에 필요한 고온에 도달하지 않으므로 DPF는 자연 재생되지 않고, 이 상태를 방치하면 PM이 과도하게 퇴적되어 DPF의 막힘이 발생한다.
이를 방지하기 위해, 일정 시간마다 배기 가스의 온도를 강제적으로 상승시켜 DPF에 퇴적되어 있는 PM을 연소시켜 제거하거나, DPF의 전후 차압으로부터 막힘량을 산출하여 막힘이 소정의 양을 초과한 경우에 배기 가스의 온도를 강제적으로 상승시켜 PM을 강제 연소시켜 제거하는 방법이 일반적으로 이용되고 있다.
그 중 DPF의 전후 차압으로부터의 막힘량을 산출하여 DPF를 재생하는 방법의 경우, 단순히 일정 시간을 주기로 배기가스의 온도를 강제적으로 상승시켜 PM을 연소 제거하는 방법에 비해 장치의 효율적인 운용을 도모할 수 있어 연비나 엔진 내구성 측면에서 유리한 점이 있다.
그러나 같은 소재와 같은 방법으로 제작된 동일 용량의 DPF일지라도 공극의 차이 등으로 인해 품질에 약간씩 차이가 있을 수 밖에 없음에도, 종래에는 이러한 차이를 반영하지 않고 차압 정보에 기반하여 재생시점을 일률적으로 적용시켜 재생이 이루어지도록 시스템을 구성함으로써, DPF 품질에 따라 재생 효율이 크게 달라지는 문제가 있다.
즉, 같은 소재와 방법으로 제작된 동일 용량의 DPF일지라도 제품별 품질이 조금씩 달라 재생이 행해지는 차압은 같지만 DPF에 실제 퇴적된 수트(Soot)의 양에는 차이가 생기게 되며, 이로 인해 재생이 필요치 않은 상황임에도 재생이 행해져 연비와 엔진 내구성에 악영향을 미치는 문제가 있고, 반대로 너무 늦은 재생으로 인해 재생 시 DPF가 용손(溶損)되는 문제가 있다.
한국공개특허 제2010-0080496호(공개일자 2010.07. 08)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, DPF 품질에 따른 차압 편차를 고려해 최적의 재생시점에 DPF 재생이 행해질 수 있도록 시스템을 구성한 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템 및 이에 의한 DPF 재생 제어방법을 제공하고자 하는 것이다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 일 측면에 따르면, 클린 상태 DPF 전단과 후단의 압력을 검출하는 센서부와, 센서부의 검출 값에 기반하여 클린 상태 DPF의 초기 차압(Pf)을 산출하는 제1 연산부와, 배기유량 별 클린 상태 DPF의 차압 정보가 입력되어 있는 정보저장부와, 클린 상태 DPF의 차압 편차(ΔP)를 도출하는 비교도출부와, 차압 편차(ΔP)에 기초하여 어떤 보상 값을 선택할지를 판단하는 판단부와, 판단부가 선택한 보상 값을 적용하여 실제 재생시기를 산출하는 제2 연산부로 이루어진 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템을 제공한다.
본 발명의 일 측면에서 상기 정보저장부에는 배기유량 별 클린 상태 DPF의 기준 차압(Ps)과 해당 기준 차압(Ps)에 대한 상한 차압(Pmax)과 하한 차압(Pmin) 정보가 입력되어 있다.
그리고 상기 차압 편차(ΔP)는 클린 상태 DPF 조립 후 최초로 제1 연산부가 산출하는 상기 DPF 초기 차압 값(Pf)을 상기 기준 차압 값(Ps)과 비교하여 산출되는 것일 수 있다.
이때, 상기 판단부는 차압 편차(ΔP)에 기초하여 상한 차압 보상 값, 0, 하한 차압 보상 값 중 어느 하나를 선택하는 판단을 하게 된다.
본 발명의 일 측면에서 상한 차압 보상 값은 기준 차압(Ps)과 해당 기준 차압(Ps)에 대한 상한 차압(Pmax)의 차이 값이며, 하한 차압 보상 값은 기준 차압(Ps)과 해당 기준 차압(Ps)에 대한 하한 차압(Pmin)의 차이 값이 될 수 있다.
과제의 해결 수단으로서 본 발명의 다른 측면에 따르면,
(a) 클린 상태 DPF 조립 후 센서부를 통해 DPF 전단과 후단의 압력을 측정하여 클린 상태 DPF의 초기 차압(Pf)을 출력하는 단계;
(b) 초기 차압(Pf)을 기준 차압(Ps)과 비교하여 차압 편차(ΔP)를 도출하는 단계;
(c) 차압 편차(ΔP)에 기초하여 어떤 보상 값을 선택할지 판단하는 단계;
(d) 판단부가 선택한 보상 값을 적용하여 DPF 실제 재생시기를 산출하는 단계; 및
(e) 보상 값이 적용된 실제 재생시기에 맞춰 재생이 이루어질 수 있도록 제어하는 단계;를 포함하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 의한 DPF 재생 제어방법을 제공한다.
본 발명의 다른 측면에서 상기 차압 편차(ΔP)에 따라 상한 차압 보상 값, 0, 하한 차압 보상 값 중 어느 하나가 선택되며, 상한 차압 보상 값이 선택되면 DPF 실제 재생시기 산출에 있어 상한 차압 보상 값만큼 차압을 감산 적용하고, 하한 차압 보상 값이 선택되면 DPF 실제 재생시기 산출에 있어 하한 차압 보상 값만큼 차압을 가산 적용한다.
본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 의하면, DPF 품질에 따른 차압 편차를 고려해 최적의 재생시점에 DPF 재생이 행해질 수 있도록 시스템을 구성함으로써, 보다 적절한 타이밍의 재생을 도모할 수 있으며, 따라서 빠른 재생으로 인한 연비와 엔진 내구성 악화의 문제와 늦은 재생으로 인한 DPF 용손 등의 문제를 해소할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 구성도.
도 2는 정보저장부에 입력되는 배기 유량 별 클린 상태 DPF의 차압 관련 그래프.
도 3은 본 발명의 다른 측면에 따른 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템 재생 제어를 위한 흐름도.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어 공지된 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하며, 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 소지가 있는 구성에 대해서도 그 상세한 설명은 생략하기로 한다.
이하 본 발명을 설명함에 있어 클린(clean) 상태 DPF는 애쉬(Ash)나 수트(soot)가 부착되지 않은 깨끗한 상태의 새제품 또는 전용장비를 이용한 재생과정을 거쳐 애쉬(Ash)나 수트(soot)가 제거된 깨끗한 상태의 재생제품으로 정의하여 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 측면에 따른 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템의 전체적인 구성을 개략적으로 나타낸 개략 구성도로서, 이를 참조하여 본 발명에 따른 디젤 엔진 배기가스 후처리 시스템의 전반적인 구성부터 개략적으로 살펴보기로 한다.
도 1에 나타난 디젤 엔진(10)의 배기가스 후처리 시스템은, 엔진(10) 배기라인 중간에 설치되는 배기가스 후처리부(30)와, 배기가스 후처리부(30)의 압력을 측정하는 센서부(40)를 포함한다. 그리고 센서부(40)가 검출하는 배기가스 후처리부(30) 압력에 기초해 연산부(90)가 출력하는 재생시기에 맞춰 재생이 이루어질 수 있게 제어하는 제어부(20)를 포함한다.
배기가스 후처리부(30)는 단열커버 내에 디젤 입자 필터(Diesel Particulate Filter, 이하 'DPF(32)'라 한다)가 있고 배기가스 유동방향을 기준으로 상기 DPF(32) 보다 앞선 위치에 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst, 이하 'DOC(32)'라 한다)가 배치된 구성일 수 있다. 그리고 센서부(40)는 DPF(32) 전단과 후단의 압력을 각각 측정하는 제1 센서(42)와 제2 센서(44)로 구성된다.
제어부(20)는 상기 센서부(40)를 통한 압력 값에 기초해 일련의 연산과 비교과정을 거쳐 최종 도출되어 제공되는 재생시기 정보에 따라 적절한 타이밍에 재생개시신호를 엔진(10)과 재생연료 분사장치(15)에 전달하며, 엔진(10)과 재생연료 분사장치(15)는 재생개시신호와 함께 전달되는 재생시간신호를 통해 지시 받은 재생시간 동안 DPF를 재생시키기 위한 일련의 구동을 한다.
재생연료 분사장치(15)는 배기가스 후처리부(30)의 온도를 재생에 필요한 목표온도까지 상승시키기 위해 상기 DOC(32) 전방에 제어부(20)로부터 지시 받은 양으로 미연소 연료를 분사한다. 그리고 상기 엔진(10)에서는 폭발행정 직후 각 실린더 내에 연료를 추가 분사하는 후분사를 통해 배기가스 온도를 상승시키는 구동이 이루어진다.
즉, 제어부(20)는 재생연료 분사장치(15)를 통한 미연소 연료 분사제어와 함께, 엔진(10) 실린더 내에 연료를 후분사하는 제어를 통해 재생 시 배기가스 후처리부(30)의 온도가 목표온도에 도달되도록 한다. 이때 재생연료 분사장치(15)를 적용하지 않은 저사양인 경우에는 재생 시 엔진 RPM을 소정 RPM의 증가시키는 제어를 통해 배기가스의 온도를 상승시킨다.
배기가스 후처리부(30)에 클린 상태 DPF가 조립된 때 상기 센서부(40)는 DPF 전후단의 최초 압력 값을 검출한다. 그리고 센서부(40)에 의한 최초 압력 값은 제1 연산부(50)로 제공된다. 제1 연산부(50)는 센서부(40)에 의한 최초 압력 검출 값과 압력 측정 시 배기유량, 배기가스 밀도, 보정계수 등을 고려하여 클린 상태 DPF의 초기 차압(Pf)을 산출한다.
제1 연산부(50)가 산출하는 클린 상태 DPF의 초기 차압(Pf)의 비교기준이 되는 차압은 정보저장부(70)에 배기유량에 따라 다른 값으로 입력되어 있으며, 비교도출부(60)가 상기 정보저장부(70)에 저장된 비교기준 차압 정보와 상기 초기 차압(Pf)을 비교함으로써 클린 상태의 조립 초기 DPF의 차압 편차(ΔP)를 도출하게 된다.
도 2는 정보저장부에 입력되는 배기 유량 별 클린 상태 DPF의 차압 관련 그래프이다.
도 2를 참조하면, 정보저장부(70)에는 클린 상태 DPF의 기준 차압(Ps)과 제품별 품질 차이에 따라 나타날 수 있는 해당 기준 차압(Ps)에 대한 상한 차압(Pmax)과 하한 차압(Pmin)이 배기유량에 따라 다른 값으로 기록되어 있으며, 이때 기준 차압(Ps)에서 상기 DPF 초기 차압(Pf)을 뺀 값이 차압 편차(ΔP)가 된다.
도 1에서 도면부호 80은 후술하는 제2 연산부(90)가 실제 재생 차압을 최종 산출함에 있어 어떤 보상 값을 선택할지를 판단하는 판단부로서, 이 판단부(80)는 상기 차압 편차(ΔP)에 기초하여 상한 차압 보상 값(기준 차압(Ps)에서 상한 차압(Pmax)을 뺀 값), 0, 하한 차압 보상 값(기준 차압(Ps)에서 하한 차압(Pmin)을 뺀 값) 중 하나를 선택하는 판단을 하게 된다.
보상 값 선택에 대해서는 도 2에서 배기유량이 60l/s인 경우를 예를 들어 살펴보기로 한다.
산출된 차압 편차(ΔP)가 기준 차압(Ps)과 하한 차압(Pmin) 사이에 존재하면, 판단부(80)은 기준 차압(Ps)에서 하한 차압(Pmin)을 뺀 값인 하한 차압 보상 값(C1)을 보상 값으로 선택하며, 차압 편차(ΔP)가 기준 차압(Ps)과 상한 차압(Pmax) 사이에 존재하면, 기준 차압(Ps)에서 상한 차압(Pmin)을 뺀 값인 상한 차압 보상 값(C2)을 보상 값으로 선택하게 되는 것이다.
이와는 다르게, 차압 편차(ΔP)가 '0' 즉, 기준 차압(Ps)과 상기 DPF 초기 차압(Pf)이 같으면, 판단부(80)는 차압 보상 값으로 '0'을 선택하게 되는 것이며, 이러한 보상 값 선택과정을 거쳐 보상 값이 선택되면 앞서 간단히 언급한 제2 연산부(90)가 그 선택한 보상 값을 적용하여 실제 재생 차압을 산출하게 되는 것이다.
이하, DPF 조립 후 초기 차압과 기준 차압으로부터 차압 편차를 산출하고, 그 차압 편차에 기초하여 보상 값을 선택하는 과정을 도 3의 흐름도를 참조하여 설명한다.
도 3을 참조하면, 클린 상태 DPF가 배기가스 후처리부에 조립되면, 자동 또는 수동 조작에 의해 센서부가 동작하여 배기가스 후처리부에 조립된 상기 클린 상태 DPF 전단과 후단의 압력을 각각 측정하게 된다. 그리고 그 검출 된 측정 값에 기초하여 제1 연산부가 클린 상태 DPF의 초기 차압(Pf)을 연산을 통해 산출하게 된다.
정보저장부에는 배기유량 별 클린 상태 DPF의 기준 차압(Ps)과 해당 기준 차압(Ps)에 대한 상한 차압(Pmax)과 하한 차압(Pmin) 정보가 입력되어 있으며, 따라서 비교도출부는 제1 연산부가 산출한 상기 초기 차압(Pf)을 정보저장부에 미리 입력된 기준 차압(Ps)과 비교하여 차압 편차(ΔP)를 도출하게 된다.
차압 편차(ΔP)가 도출되면, 판단부가 그 도출된 차압 편차(ΔP)에 기초하여 어떤 차압 보상 값을 선택할지 판단하게 되는데, 차압 편차(ΔP)에 따라 상한 차압 보상 값(기준 차압(Ps)에서 상한 차압(Pmax)을 뺀 값), 0, 하한 차압 보상 값(기준 차압(Ps)에서 하한 차압(Pmin)을 뺀 값) 중 하나를 선택하는 판단을 하게 된다.
구체적으로, 제1 연산부에 의해 도출된 차압 편차(ΔP=Pf-Ps)가 제로이면 '0'을 선택하게 되고, 차압 편차(ΔP)가 양의 값 즉, 0보다 크면 상한 차압 보상 값(Ps-Pmax)을, 차압 편차(ΔP)가 음의 값 즉, 0보다 작으면 하한 차압 보상 값(Ps-Pmin)을 선택하게 된다.
위 과정을 거쳐 보상 값이 선택되면, 제2 연산부가 선택한 보상 값을 적용하여 실제 재생시기를 산출하게 되는데, 상한 차압 보상 값이 선택되면 DPF 실제 재생시기 산출에 있어 상한 차압 보상 값만큼 차압을 감산 적용하고, 하한 차압 보상 값이 선택되면 DPF 실제 재생시기 산출에 있어 하한 차압 보상 값만큼 차압을 가산 적용하게 된다.
마지막으로, 제2 연산부에 의해 보상 값이 적용된 실제 재생시기가 도출되면, 그 재생시기 정보는 제어부에 제공되며, 제어부는 제공받은 그 재생시기에 맞춰 재생이 이루어질 수 있도록 배기가스 후처리부의 재생을 제어하게 되는 것이다.
이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 의하면, DPF 품질에 따른 차압 편차를 고려해 최적의 재생시점에 DPF 재생이 행해질 수 있도록 시스템을 구성함으로써, 보다 적절한 타이밍의 재생을 도모할 수 있으며, 따라서 빠른 재생으로 인한 연비와 엔진 내구성 악화의 문제와 늦은 재생으로 인한 DPF 용손 등을 해소할 수 있다.
이상의 본 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
10 : 엔진 20 : 제어부
30 : 배기가스 후처리부 34 : DPF
40 : 센서부 50 : 제1 연산부
60 : 비교도출부 70 : 정보저장부
80 : 판단부 90 : 제2 연산부

Claims (7)

  1. 클린 상태 DPF 전단과 후단의 압력을 검출하는 센서부와;
    센서부의 검출 값에 기반하여 클린 상태 DPF의 초기 차압(Pf)을 산출하는 제1 연산부와;
    배기유량 별 클린 상태 DPF의 차압 정보가 입력되어 있는 정보저장부와;
    클린 상태 DPF의 차압 편차(ΔP)를 도출하는 비교도출부와;
    차압 편차(ΔP)에 기초하여 어떤 보상 값을 선택할지를 판단하는 판단부; 및
    판단부가 선택한 보상 값을 적용하여 실제 재생시기를 산출하는 제2 연산부로 이루어진 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 정보저장부에는 배기유량 별 클린 상태 DPF의 기준 차압(Ps)과 해당 기준 차압(Ps)에 대한 상한 차압(Pmax)과 하한 차압(Pmin) 정보가 입력되어 있는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    차압 편차(ΔP)는 클린 상태 DPF 조립 후 최초로 제1 연산부가 산출하는 상기 DPF 초기 차압 값(Pf)을 상기 기준 차압 값(Ps)과 비교하여 산출되는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서,
    판단부는 차압 편차(ΔP)에 기초하여 상한 차압 보상 값, 0, 하한 차압 보상 값 중 어느 하나를 선택하는 판단을 하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상한 차압 보상 값은 기준 차압(Ps)과 해당 기준 차압(Ps)에 대한 상한 차압(Pmax)의 차이 값이며,
    하한 차압 보상 값은 기준 차압(Ps)과 해당 기준 차압(Ps)에 대한 하한 차압(Pmin)의 차이 값인 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템.
  6. (a) 클린 상태 DPF 조립 후 센서부를 통해 DPF 전단과 후단의 압력을 측정하여 클린 상태 DPF의 초기 차압(Pf)을 출력하는 단계;
    (b) 초기 차압(Pf)을 기준 차압(Ps)과 비교하여 차압 편차(ΔP)를 도출하는 단계;
    (c) 차압 편차(ΔP)에 기초하여 어떤 보상 값을 선택할지 판단하는 단계;
    (d) 판단부가 선택한 보상 값을 적용하여 DPF 실제 재생시기를 산출하는 단계; 및
    (e) 보상 값이 적용된 실제 재생시기에 맞춰 재생이 이루어질 수 있도록 제어하는 단계;를 포함하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 의한 DPF 재생 제어방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    차압 편차(ΔP)에 따라 상한 차압 보상 값, 0, 하한 차압 보상 값 중 어느 하나가 선택되며,
    상한 차압 보상 값이 선택되면 DPF 실제 재생시기 산출에 있어 상한 차압 보상 값만큼 차압을 감산 적용하고,
    하한 차압 보상 값이 선택되면 DPF 실제 재생시기 산출에 있어 하한 차압 보상 값만큼 차압을 가산 적용하는 것을 특징으로 하는 디젤 엔진의 배기가스 후처리 시스템에 의한 DPF 재생 제어방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114876617A (zh) * 2022-05-09 2022-08-09 潍柴动力股份有限公司 柴油机dpf灰分质量的估算方法、装置及电子设备

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