KR20160038259A

KR20160038259A - 요소수 농도에 따른 엔진 제어 장치 및 엔진 제어 방법

Info

Publication number: KR20160038259A
Application number: KR1020140130775A
Authority: KR
Inventors: 김정호
Original assignee: 두산인프라코어 주식회사
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2016-04-07
Also published as: WO2016052871A1; KR102177356B1

Abstract

엔진 제어 장치는 엔진 배기관에 설치된 환원제 분사 모듈로 공급되는 환원제의 농도를 측정하기 위한 환원제 농도 센서, 및 상기 측정된 환원제 농도가 기준 농도 이하인 경우 상기 엔진에서 배출되는 질소산화물이 현재의 배출량보다 적게 배출되도록 엔진의 연소 조건을 변경하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

Description

요소수 농도에 따른 엔진 제어 장치 및 엔진 제어 방법{ENGINE CONTROL APPARATUS AND ENGINE CONTROL METHOD BY UREA QUALITY}

본 발명은 엔진 제어 장치 및 엔진 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 선택적 촉매 환원 장치를 갖는 엔진 시스템에서의 엔진 제어 장치 및 이를 이용한 엔진 제어 방법에 관한 것이다.

선택적 촉매 환원 장치는 엔진으로부터 배출되는 배기가스 중에 함유된 공해 물질들을 감소시키기 위한 배기가스 후처리 장치로서 제공될 수 있다. 상기 선택적 촉매 환원 장치는 요소수와 같은 환원제를 배기가스의 유동 방향으로 분사하여 배기가스 내의 질소산화물을 환원시킬 수 있다.

종래에는, 요소수의 농도 품질이 기준 농도보다 떨어질 경우, 경고등과 함께 배기가스 규제(inducement)에 의한 출력 제한이 발생하여 배기가스 규제 초과 및 상품성 저하를 유발시킬 수 있다.

본 발명의 일 목적은 현재 요소수의 농도에 적합한 최적의 엔진 제어 파라미터에 따라 엔진을 제어할 수 있는 엔진 제어 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 상기 엔진 제어 장치를 이용하여 엔진을 제어하는 방법을 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 일 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 엔진 제어 장치는 엔진 배기관에 설치된 환원제 분사 모듈로 공급되는 환원제의 농도를 측정하기 위한 환원제 농도 센서, 및 상기 측정된 환원제 농도가 기준 농도 이하인 경우 상기 엔진에서 배출되는 질소산화물이 현재의 배출량보다 적게 배출되도록 엔진의 연소 조건을 변경하도록 제어하는 제어부를 포함한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어부는 엔진의 EGR율을 증가시키거나, 연료 분사시기를 지연시키거나 연료 분사압력을 증가시키는 것 중에서 적어도 하나를 수행할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진 제어 장치는 상기 엔진 배기관 후단에서 대기로 배출되는 배기가스가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 판단하는 허용 한계값 판단부를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 제어부는, 상기 검출된 환원제의 농도가 기준 농도 이하인 경우 사용자에게 경고 신호를 출력할 수 있다.

상술한 본 발명의 다른 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 엔진 제어 방법에 있어서, 환원제 분사 모듈로 공급되는 환원제의 농도를 측정한다. 상기 측정된 환원제 농도가 기준 농도 이하인지 여부를 판단한다. 상기 환원제의 농도가 기준 농도 이하인 경우 엔진에서 배출되는 질소산화물이 현재의 배출량보다 적게 배출되도록 엔진의 연소 조건을 변경한다. 상기 변경된 연소 조건에 따라 엔진을 제어한다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진의 연소 조건을 변경하는 단계는 엔진의 EGR율을 증가시키거나, 연료 분사시기를 지연시키거나 연료 분사압력을 감소시키는 것 중에서 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 연소 조건을 변경하는 단계는 엔진 배기가스 중에서 PM의 배출량이 배기가스 규제를 초과하지 않는 범위 이내에서 수행될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 연소 조건을 변경할 경우 대기로 배출되는 배기가스가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 판단하는 단계, 및 상기 대개로 배출되는 배기가스가 허용 한계값을 초과할 경우 엔진 출력을 감소하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 상기 검출된 환원제의 농도가 기준 농도 이하인 경우 사용자에게 경고 신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 따르면, 요소수의 농도 품질이 저하된 경우, 곧바로 규제(inducement)에 진입하지 않고, 측정된 요소수 농도에 기초하여 엔진의 배기가스 처리 성능을 향상시킬 수 있는 엔진 제어 파라미터를 산출하여 이를 기초로 엔진을 제어할 수 있다. 따라서, 요소수 농도 품질이 약간 저하되더라도 엔진 출력을 유지하거나 최소한의 출력 제한과 함께 배기가스 규제를 만족시키는 조건에서 건설기계를 계속적으로 운행함으로써, 상품성을 향상시킬 수 있다.

다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 엔진 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 2는 도 1의 엔진 시스템의 엔진을 나타내는 단면도이다.
도 3은 도 1의 배기 파이프에 설치되는 배기가스 처리 시스템을 나타내는 블록도이다.
도 4는 도 1의 엔진 시스템의 엔진 제어 장치를 나타내는 블록도이다.
도 5a는 도 4의 제1 연산부를 나타내는 블록도이다.
도 5b는 도 4의 제2 연산부를 나타내는 블록도이다.
도 5c는 도 4의 제3 연산부를 나타내는 블록도이다.
도 6은 예시적인 실시예들에 따른 엔진 제어 방법을 나타내는 순서도이다.

본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.

도 1은 예시적인 실시예들에 따른 엔진 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 2는 도 1의 엔진 시스템의 엔진을 나타내는 단면도이다. 도 3은 도 1의 배기 파이프에 설치되는 배기가스 처리 시스템을 나타내는 블록도이다. 도 4는 도 1의 엔진 시스템의 엔진 제어 장치를 나타내는 블록도이다. 도 5a는 도 4의 제1 연산부를 나타내는 블록도이고, 도 5b는 도 4의 제2 연산부를 나타내는 블록도이며, 도 5c는 도 4의 제3 연산부를 나타내는 블록도이다.

도 1 내지 도 5c를 참조하면, 엔진 시스템은 엔진(10), 엔진(10)으로부터의 배기가스를 외부로 배출하고 신기(fresh air)를 압축하여 엔진(10)으로 공급하기 위한 터보차저(30), 및 터보차저(30)의 전단의 배기가스의 일부를 엔진(10)으로 재순환시키기 위한 EGR 장치(60)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 엔진(10)은 굴삭기와 같은 건설기계의 구동원으로서 디젤 엔진을 포함할 수 있다. 엔진(10)은 압축 착화를 통한 연소로 필요한 동력을 발생시킬 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진(10)은 연료를 분사시키는 분사장치(18)가 설치되어 분사장치(18)로부터 공급되는 연료를 연소시키는 연소실(11)을 갖는 다수개의 실린더들(12)을 포함할 수 있다. 흡기관(40)으로부터 공급되는 흡기는 흡기 포트(14)를 통해 연소실(11) 내로 공급되고, 연소실(11) 내에서 연소된 후 배기가스는 배기 포트(16)를 통해 배기관(50)으로 배출될 수 있다.

터보차저(30)는 배기관(50)을 통해 엔진(10)의 배기 매니폴드(24)에 연결되고 흡기관(40, 42)을 통해 엔진(10)의 흡기 매니폴드(20)에 연결될 수 있다. 터보차저(30)는 신기(fresh air)를 흡기 매니폴드(20)에 공급함과 동시에 배기가스를 배기 파이프(70)를 통해 외부로 배출시킬 수 있다.

EGR 장치(60)는 EGR 라인(62), EGR 밸브(64) 및 EGR 쿨러(66)를 포함할 수 있다. 엔진(10)의 배기 매니폴드(24)로부터 배출된 배기가스는 EGR 라인(62)을 통해 엔진(10)의 흡기 매니폴드(20)로 재순환될 수 있다. EGR 밸브(62)는 EGR 라인(60)에 설치되며 상기 재순환 배기가스의 양(EGR율)을 조절할 수 있다. EGR 쿨러(66)는 EGR 라인(62)에 설치되며 상기 재순환 배기가스를 냉각시킬 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 배기가스 처리 시스템은 엔진(10)으로부터 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위한 환원제를 분사하는 환원제 분사 모듈(82)을 구비하는 선택적 촉매 환원(selective catalyst reduction, SCR) 장치(80) 및 SCR 장치(80)의 전방의 배기 파이프(70)에 설치되는 디젤 산화 촉매(diesel oxidation catalyst, DOC)(72)를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, SCR 장치(20)는 배기 파이프(70) 내에 설치되는 선택적 환원 촉매(도시되지 않음) 및 상기 선택적 환원 촉매의 전방에서 배기 파이프(70) 내에 환원제를 분사하기 위한 환원제 분사 모듈(82)을 포함할 수 있다. 환원제 분사 모듈(82)은 엔진으로부터 배출되는 배기가스 내의 질소산화물을 환원시키기 위하여 요소수와 같은 환원제를 분사할 수 있다. 엔진으로부터 배출된 배기가스의 온도는 수백 ℃에 이르는 고온이므로, 배기 파이프(70) 내에 분사된 상기 환원제는 곧바로 기화될 수 있다. 기화된 환원제는 배기가스와 혼합되고, 상기 환원제와 상기 질소산화물을 상기 선택적 환원 촉매를 이용하여 촉매 반응시켜 상기 질소산화물을 질소 가스와 물로 환원시킬 수 있다.

환원제 분사 모듈(82)은 파이프(84)를 통해 요소수 공급 모듈(92)과 연결되어 요소수를 배기 파이프(70) 내에 분사할 수 있다. 또한, 요소수 공급 모듈(92)은 공급 라인(94a) 및 회수 라인(94b)를 통해 요소수 저장 탱크(90)에 연결될 수 있다. 요소수 저장 탱크(90)는 암모니아 생성용으로 AdBlue라는 요소수 수용액 또는 DEF(Diesel Exhaust Fluid)를 저장할 수 있다. 요소수 저장 탱크(90)에는 요소수 농도 센서(96)가 설치되어 요소수 공급 모듈(92)로 공급되는 요소수의 농도를 실시간으로 검출할 수 있다. 이와 다르게, 요소수 농도 센서(96)는 환원제 분사 모듈(82)에 연결된 파이프(84) 또는 공급 라인(94a)에 설치될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 엔진 시스템은 환원제로서의 요소수의 검출 농도에 따라 배기가스 처리 성능을 향상시키도록 연소 조건으로서의 엔진 제어 파라미터를 모델링하고 최적의 파라미터값을 산출하고, 산출된 제어 파라미터에 따라 엔진을 제어하기 위한 엔진 제어 장치를 포함할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 엔진 제어 장치는, 측정된 환원제 농도에 따라 정상 엔진 제어모드 및 환원제 농도기반 제어모드 중에서 어느 하나의 제어모드를 선택하고 상기 선택된 제어 모드를 위한 엔진 제어 파라미터를 산출하는 제1 제어부(100)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 엔진 제어 장치는, 상기 산출된 제어 파라미터에 따라 엔진을 제어하는 제2 제어부(200)를 더 포함할 수 있다.

구체적으로, 제1 제어부(100)는 상기 측정된 환원제 농도가 기준 농도 이하인지 여부를 판단하여 정상 제어모드 및 환원제 농도기반 제어모드 중 어느 하나를 선택하는 엔진 제어모드 판단부(110) 및 상기 환원제 농도기반 제어모드가 선택된 경우, 상기 측정된 환원제 농도에서 배기가스 규제를 만족하도록 엔진에서 배출되는 오염물질을 감소시킬 수 있는 엔진 제어 파라미터를 산출하는 파라미터 연산부(120)를 포함할 수 있다.

요소수 농도 센서(96)는 요소수 저장 탱크(90) 내의 요소수의 농도를 초음파 방식을 이용하여 실시간으로 측정할 수 있다. 예를 들면, 배기가스 처리 시스템의 성능, 배기가스 규제 등을 고려하여, 요소수의 기준 농도(예를 들면, 32.5%) 및 요소수의 한계 농도(예를 들면, 26%)가 설정될 수 있다. 그러나, 사용자가 요소수 저장 탱크(90)에 물과 같은 희석액을 첨가하거나 요소수의 농도가 원활하게 유지되지 않을 경우, 요소수 저장 탱크(90) 내의 요소수의 농도가 기준 농도보다 낮게 떨어질 수 있다.

엔진 제어모드 판단부(110)는 상기 검출된 요소수의 농도가 기준 농도 이하인 지 여부를 판단하여 기준 농도를 만족할 경우 정상 엔진 제어모드를 선택하고 기준 농도 이하인 경우 요소수 농도기반 제어모드를 선택할 수 있다. 예를 들면, 상기 검출된 요소수의 농도가 기준 농도(32.5%) 이하이고 한계 농도(26%)보다 큰 경우, 곧바로 규제(inducement)로 진입하지 않고, 검출된 요소수 농도에서 배기가스 규제를 만족시킬 수 있는 제어 파라미터를 산출하기 위한 제어모드를 수행할 것을 선택할 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 엔진 제어모드 판단부(110)는, 상기 검출된 요소수의 농도가 기준 농도 이하인 경우 사용자에게 경고 신호를 출력할 수 있다. 상기 엔진 제어 장치는 사용자에게 경고 신호를 보여주기 위한 경고 표시 장치를 더 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 경고 표시 장치는 운전실 내부에 설치되는 경고등, 버저(buzzer) 또는 디스플레이 장치 등을 포함할 수 있다. 상기 경고 표시 장치가 작동하는 경우, 사용자는 요소수의 농도를 점검하고 요소수의 농도를 기준 농도로 유지하는 조치를 취할 수 있다.

파라미터 연산부(120)는 상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우, 상기 측정된 요소수 농도에서 배기가스 규제를 만족하는 엔진 제어 파라미터를 산출할 수 있다. 파라미터 연산부(120)는 상기 측정된 요소수 농도에서 엔진에서 배출되는 오염물질, 예를 들면, 질소산화물을 감소시킬 수 있는 최적의 엔진의 EGR율, 연료 분사시기 및 연료 분사압력 중에서 적어도 하나의 제어 파라미터를 산출할 수 있다. 파라미터 연산부(120)는 상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우 현재의 엔진 출력을 유지하거나 최소한의 출력 제한(Torque Reduction)과 함께 배기가스 내의 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있는 엔진 제어 파라미터를 모델링하고 산출할 수 있다. 파라미터 연산부(120)는 환원제의 농도, 연료의 분사시기 및 분사압력에 따른 배기가스 처리 성능, 엔진의 흡기 및 배기 동역학 등에 기초하여 상기 요소수 농도기반 제어모드를 위한 제어 모델을 구축하고 저장할 수 있다.

도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 파라미터 연산부(120)는 상기 측정된 환원제 농도에서 배기가스 내의 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있는 EGR율을 산출하는 제1 산출부(122), 상기 측정된 환원제 농도에서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 연료 분사시기를 산출하는 제2 산출부(124) 및 상기 측정된 환원제 농도에서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 연료 분사압력을 산출하는 제3 산출부(126)를 포함할 수 있다.

제1 산출부(122)는 상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우 현재 측정된 요소수 농도에서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 최적의 EGR율을 산출할 수 있다. 제1 산출부(122)는 현재 측정된 요소수 농도의 농도 팩터(X)에 따라 요소수 기준 농도에서의 정상 EGR율(A)과 요소수 한계 농도에서의 한계 EGR율(B)을 고려하여 최종 제어 파라미터로서 최적의 EGR율을 산출할 수 있다.

예를 들면, 요소수 기준 농도가 30%이고 요소수 한계 농도가 25%인 경우, 현재 측정된 요소수 농도(X(%))가 28.75%이면 요소수 농도 팩터(Q)는 0.75이고, 현재 측정된 요소수 농도(X(%))가 27.5%이면 요소수 농도 팩터(Q)는 0.5이고, 현재 측정된 요소수 농도(X(%))가 26.25%이면 요소수 농도 팩터(Q)는 0.25이다.

요소수 기준 농도에서(정상 제어모드에서) 엔진 rpm에 따른 정상 EGR율(A)이 결정되어 있고, 요소수 한계 농도에서 엔진의 동특성, PM(particulate matters) 등이 배기가스 규제를 만족시키는 엔진 rpm에 따른 한계 EGR율(B)이 결정될 수 있다. 따라서, 현재 측정된 요소수 농도 팩터(Q)에서의 최적의 EGR율은 아래와 같은 식(1)에 의해 계산될 수 있다.

----- 식(1)

예를 들면, 요소수 농도 팩터(Q)가 0.5에서, 정상 EGR율이 20%이고, 한계 EGR율이 30%이면, 최적 EGR율(%)은 아래와 같은 식(2)에 의해 산출될 수 있다.

----- 식(2)

이에 따라, 제1 산출부(122)는 현재 측정된 요소수 농도에서 PM과 같은 오염물질이 배기가스 규제를 초과하지 않는 범위 이내에서 최적의 EGR율을 산출할 수 있다. 제1 산출부(122)에 의해 EGR율이 결정되면 EGR율 제어 신호가 출력되고, 상기 EGR율 제어 신호는 제2 제어부(200)의 EGR 제어기(210)로 입력될 수 있다.

제2 산출부(124)는 상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우 현재 측정된 요소수 농도에서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 최적의 연료 분사시기를 산출할 수 있다. 제2 산출부(124)는 현재 측정된 요소수 농도의 농도 팩터(X)에 따라 요소수 기준 농도에서의 정상 연료 분사시기(C)와 요소수 한계 농도에서의 한계 연료 분사시기(D)를 고려하여 최종 제어 파라미터로서 최적의 연료 분사시기를 산출할 수 있다.

요소수 기준 농도에서(정상 제어모드에서) 엔진 rpm에 따른 정상 연료 분사시기(C)가 결정되어 있고, 요소수 한계 농도에서 엔진의 동특성, PM(particulate matters) 등이 배기가스 규제를 만족시키는 엔진 rpm에 따른 한계 연료 분사시기(D)가 결정될 수 있다. 따라서, 현재 측정된 요소수 농도 팩터(Q)에서의 최적의 연료 분사시기는 아래와 같은 식(3)에 의해 계산될 수 있다.

----- 식(3)

예를 들면, 요소수 농도 팩터(Q)가 0.5에서, 정상 연료 분사시기가 BTDC(Before Top Dead Center) 3이고, 한계 연료 분사시기가 ATDC(After Top Dead Center) 1이면, 최적 연료 분사시기는 아래와 같은 식(4)에 의해 산출될 수 있다.

----- 식(4)

이에 따라, 제2 산출부(124)는 현재 측정된 요소수 농도에서 PM과 같은 오염물질이 배기가스 규제를 초과하지 않는 범위 이내에서 최적의 연료 분사시기를 산출할 수 있다. 제2 산출부(124)에 의해 연료 분사시기가 결정되면 연료 분사시기 제어 신호가 출력되고, 상기 연료 분사시기 제어 신호는 제2 제어부(200)의 연료 분사시기 제어기(220)로 입력될 수 있다.

제3 산출부(126)는 상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우 현재 측정된 요소수 농도에서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 최적의 연료 분사압력을 산출할 수 있다. 제3 산출부(126)는 현재 측정된 요소수 농도의 농도 팩터(X)에 따라 요소수 기준 농도에서의 정상 연료 분사압력(E)과 요소수 한계 농도에서의 한계 연료 분사압력(F)을 고려하여 최종 제어 파라미터로서 최적의 연료 분사압력을 산출할 수 있다.

요소수 기준 농도에서(정상 제어모드에서) 엔진 rpm에 따른 정상 연료 분사압력(E)이 결정되어 있고, 요소수 한계 농도에서 엔진의 동특성, PM(particulate matters) 등이 배기가스 규제를 만족시키는 엔진 rpm에 따른 한계 연료 분사압력(F)이 결정될 수 있다. 따라서, 현재 측정된 요소수 농도 팩터(Q)에서의 최적의 연료 분사압력은 아래와 같은 식(5)에 의해 계산될 수 있다.

----- 식(5)

예를 들면, 요소수 농도 팩터(Q)가 0.5에서, 정상 연료 분사압력이 1400bar이고, 한계 연료 분사압력이 1500bar이면, 최적 연료 분사압력(bar)은 아래와 같은 식(6)에 의해 산출될 수 있다.

----- 식(6)

이에 따라, 제3 산출부(126)는 현재 측정된 요소수 농도에서 PM과 같은 오염물질이 배기가스 규제를 초과하지 않는 범위 이내에서 최적의 연료 분사압력을 산출할 수 있다. 제3 산출부(126)에 의해 연료 분사압력이 결정되면 연료 분사압력 제어 신호가 출력되고, 상기 연료 분사압력 제어 신호는 제2 제어부(200)의 연료 분사압력 제어기(230)로 입력될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 제1 제어부(100)는 파라미터 연산부(120)에 의해 상기 산출된 제어 파라미터에 따라 엔진 제어를 수행할 경우 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 판단하는 허용 한계값 판단부(130)를 더 포함할 수 있다.

허용 한계값 판단부(130)는 파라미터 연산부(120)에 의해 산출된 제어 파라미터들(엔진의 EGR율, 연료 분사시기, 연료 분사압력)에 따라 엔진 제어를 수행할 경우, 배기가스 규제를 만족하는 NOx/PM이 배출되는 지 여부를 판단할 수 있다.

허용 한계값 판단부(130)는 파라미터 연산부(120)로부터 출력된 제어 신호들을 수신하고 이를 분석하여, 상기 요소수 농도기반 제어모드에 따라 엔진 제어가 수행될 경우 엔진으로부터 배출되는 배기가스(NOx/PM)가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 예측할 수 있다. 이와 다르게, 허용 한계값 판단부(130)는 엔진 배기관(70)의 후단에서 대기로 배출되는 배기가스 내의 오염 물질의 농도를 측정하고, 측정된 농도가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 판단할 수 있다.

만일, 허용 한계값을 초과하는 경우, 경고등을 띄우고 상기 요소수 농도기반 제어모드로 진행하지 않고 곧바로 규제(inducement)로 진입하여 토크 제한(torque reduction)이 이루어질 수 있다. 또한, 허용 한계값 판단부(130)는 측정된 요소수 농도가 한계 농도보다 작은 경우, 경고등을 띄우고 정상 제어모드로 진행하는 제어 신호를 출력할 수 있으며, 정상 제어모드에서 토크 제한(torque reduction)이 이루어질 수 있다.

제2 제어부(200)는 상기 엔진 시스템의 제어를 행하는 엔진 제어장치(ECU, electronic control unit) 내에 포함될 수 있다. 예를 들면, 상기 제2 제어부는 엔진 rpm, 엔진 토크(torque), 차속(velocity), 스로틀 밸브, 공기량 등에 관한 신호들을 수신할 수 있다. 또한, 제1 제어부(100)는 별도의 제어기로 설치되거나 상기엔진 제어장치(ECU)에 내장된 제어 로직 형태로 구현될 수 있다.

제2 제어부(200)의 EGR 제어기(210)는 상기 EGR율 제어 신호를 기초로 하여 EGR 밸브(64)를 조절하여 EGR 가스로서 엔진(10)에 재순환시키는 비율(즉, EGR율)을 제어할 수 있다. 제2 제어부(200)의 연료 분사시기 제어기(220)는 상기 연료 분사시기 제어 신호를 기초로 하여 분사장치(18)의 연료 분사시기를 제어할 수 있다. 제2 제어부(200)의 연료 분사압력 제어기(230)는 상기 연료 분사압력 제어 신호를 기초로 하여 분사장치(18)의 연료 분사압력을 제어할 수 있다.

또한, 제2 제어부(200)는 제1 제어부(100)로부터의 정상 제어모드를 위한 제어 신호를 기초로 하여 상기 엔진 시스템을 제어할 수 있다.

상술한 바와 같이, 상기 엔진 제어 장치에 따르면, 요소수의 농도 품질이 저하된 경우, 곧바로 규제(inducement)에 진입하지 않고, 측정된 요소수 농도에 기초하여 엔진의 배기가스 처리 성능을 향상시킬 수 있는 엔진 제어 파라미터를 산출하여 이를 기초로 엔진을 제어할 수 있다. 따라서, 요소수 농도 품질이 약간 저하되더라도 엔진 출력을 유지하거나 최소한의 출력 제한과 함께 배기가스 규제를 만족시키는 조건에서 건설기계를 계속 운행할 수 있다.

이하에서는, 도 3의 엔진 제어 장치를 이용하여 엔진 시스템을 제어하는 방법에 대하여 설명하기로 한다.

도 6은 예시적인 실시예들에 따른 엔진 제어 방법을 나타내는 순서도이다.

도 1, 도 2, 도 3, 도 4 및 도 6을 참조하면, 환원제 분사 모듈(82)로 공급되는 환원제의 농도를 실시간으로 모니터링할 수 있다(S100).

예시적인 실시예들에 있어서, 요소수 저장 탱크(90)에 설치된 요소수 농도 센서(96)로부터 요소수 공급 모듈(92)로 공급되는 요소수의 농도를 실시간으로 측정할 수 있다.

이어서, 상기 측정된 환원제 농도가 기준 농도 이하인지 여부를 판단하여 정상 제어모드 및 환원제 농도기반 제어모드 중 하나의 제어모드를 선택한다(S110).

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 검출된 요소수의 농도가 기준 농도 이하인 지 여부를 판단하여 기준 농도를 만족할 경우 정상 엔진 제어모드를 선택하고 기준 농도 이하인 경우 요소수 농도기반 제어모드를 선택할 수 있다. 예를 들면, 배기가스 처리 시스템의 성능, 배기가스 규제 등을 고려하여, 요소수의 기준 농도(예를 들면, 32.5%) 및 요소수의 한계 농도(예를 들면, 26%)가 설정될 수 있다. 그러나, 사용자가 요소수 저장 탱크(90)에 물과 같은 희석액을 첨가하거나 요소수의 농도가 원활하게 유지되지 않을 경우, 요소수 저장 탱크(90) 내의 요소수의 농도가 기준 농도보다 낮게 떨어질 수 있다.

상기 검출된 요소수의 농도가 기준 농도(예를 들면, 32.5%) 이하이고 한계 농도(26%)보다 큰 경우, 곧바로 규제(inducement)로 진입하지 않고, 검출된 요소수 농도에서 배기가스 규제를 만족시킬 수 있는 제어 파라미터를 산출하기 위한 제어모드를 수행할 것을 선택할 수 있다.

상기 환원제 농도기반 제어모드가 선택된 경우 상기 측정된 환원제 농도에서 배기가스 처리 성능을 향상시킬 수 있는 엔진 제어 파라미터를 산출하고 이에 기초하여 엔진을 제어하고(S120), 상기 정상 제어모드가 선택된 경우 정상 제어 파라미터에 따라 엔진을 제어한다(S130).

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우, 상기 측정된 요소수 농도에서 배기가스 처리 성능을 향상시킬 수 있는 최적의 엔진의 EGR율, 연료 분사시기 및 연료 분사압력 중에서 적어도 하나의 제어 파라미터를 산출할 수 있다. 현재의 엔진 출력을 유지하거나 최소한의 출력 제한(Torque Reduction)과 함께 배기가스 내의 질소산화물(NOx)을 저감시킬 수 있는 엔진 제어 파라미터를 모델링하고 산출할 수 있다.

예를 들면, 상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우 현재 측정된 요소수 농도에서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 최적의 EGR율을 산출할 수 있다. 현재 측정된 요소수 농도에 기초하여 요소수 기준 농도에서의 정상 EGR율과 요소수 한계 농도에서의 한계 EGR율 사이에서 최종 제어 파라미터로서 최적의 EGR율을 결정할 수 있다. 이에 따라, 상기 최적의 EGR율은 현재 측정된 요소수 농도에서 PM과 같은 오염물질이 배기가스 규제를 초과하지 않는 범위 이내에서 산출될 수 있다.

상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우 현재 측정된 요소수 농도에서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 최적의 연료 분사시기를 산출할 수 있다. 현재 측정된 요소수 농도에 기초하여 요소수 기준 농도에서의 정상 연료 분사시기와 요소수 한계 농도에서의 한계 연료 분사시기 사이에서 최종 제어 파라미터로서 최적의 연료 분사시기를 결정할 수 있다. 이에 따라, 상기 최적의 연료 분사시기는 현재 측정된 요소수 농도에서 PM과 같은 오염물질이 배기가스 규제를 초과하지 않는 범위 이내에서 산출될 수 있다.

상기 요소수 농도기반 제어모드가 선택된 경우 현재 측정된 요소수 농도에서 배기가스 내의 질소산화물을 저감시킬 수 있는 최적의 연료 분사압력을 산출할 수 있다. 현재 측정된 요소수 농도의 농도에 기초하여 요소수 기준 농도에서의 정상 연료 분사압력과 요소수 한계 농도에서의 한계 연료 분사압력 사이에서 최종 제어 파라미터로서 최적의 연료 분사압력을 결정할 수 있다. 이에 따라, 상기 최적의 연료 분사압력은 현재 측정된 요소수 농도에서 PM과 같은 오염물질이 배기가스 규제를 초과하지 않는 범위 이내에서 산출될 수 있다.

예시적인 실시예들에 있어서, 상기 산출된 제어 파라미터에 따라 엔진 제어를 수행할 경우 상기 엔진으로부터 배출되는 배기가스가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 판단할 수 있다(S122).

산출된 제어 파라미터들(엔진의 EGR율, 연료 분사시기, 연료 분사압력)에 따라 엔진 제어를 수행할 경우, 배기가스 규제를 만족하는 배기가스(NOx/PM)가 배출되는 지 여부를 판단할 수 있다. 즉, 상기 요소수 농도기반 제어모드에 따라 엔진 제어가 수행될 경우 엔진으로부터 배출되는 배기가스(NOx/PM)가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 예측할 수 있다. 만일, 허용 한계값을 초과하는 경우, 경고등을 띄우고 상기 요소수 농도기반 제어모드로 진행하지 않고 곧바로 규제(inducement)로 진입하도록 할 수 있다. 예를 들면, 허용 한계값을 초과하는 경우, 엔진의 출력을 대폭으로 감소시키거나 또는 엔진 rpm을 감소(아이들(idle) 운행)하도록 엔진을 제어할 수 있다.또한, 상기 검출된 요소수의 농도가 기준 농도 이하인 경우 사용자에게 경고 신호를 출력할 수 있다(S124). 예를 들면, 운전실 내부에 설치되는 경고등, 버저(buzzer) 또는 디스플레이 장치 등과 같은 표시 장치를 이용하여 사용자에게 알려주고, 사용자는 요소수의 농도를 점검하고 요소수의 농도를 기준 농도로 유지하는 조치를 취할 수 있다.

또한, 상기 검출된 요소수 농도가 한계 농도보다 작은 경우, 경고등을 띄우고 정상 제어모드로 진행할 수 있으며, 이러한 정상 제어모드에서 토크 제한(torque reduction)이 이루어질 수 있다.

이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

10: 엔진 11: 연소실
12: 실린더 14: 흡기 포트
16: 배기 포트 18: 분사장치
20: 흡기 매니폴드 22: 배기 매니폴드
30: 터보차저 32: 터빈
33: 터빈 휠 34: 컴프레서
35: 컴프레서 휠 40: 흡기관
42: 흡기 공급관 50: 배기관
60: EGR 장치 62: EGR 라인
64: EGR 밸브 66: EGR 쿨러
70: 배기 파이프 72: 디젤 산화 촉매
80: SCR 장치 82: 환원제 분사 모듈
84: 파이프 90: 요소수 저장 탱크
92: 환원제 분사 모듈 96: 요소수 농도 센서
100: 제1 제어부 110: 엔진 제어모드 판단부
120: 파라미터 연산부 122: 제1 연산부
124: 제2 연산부 126: 제3 연산부
130: 허용 한계값 판단부 200: 제2 제어부
210: EGR 제어기 220: 연료 분사시기 제어기
230: 연료 분사압력 제어기

Claims

엔진 배기관에 설치된 환원제 분사 모듈로 공급되는 환원제의 농도를 측정하기 위한 환원제 농도 센서; 및
상기 측정된 환원제의 농도가 기준 농도 이하인 경우 상기 엔진에서 배출되는 질소산화물이 현재의 배출량보다 적게 배출되도록 엔진의 연소 조건을 변경하도록 제어하는 제어부를 포함하는 엔진 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제어부는 엔진의 EGR율을 증가시키거나, 연료 분사시기를 지연시키거나 연료 분사압력을 증가시키는 것 중에서 적어도 하나를 수행하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 엔진 배기관 후단에서 대기로 배출되는 배기가스가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 판단하는 허용 한계값 판단부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
제 1 항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 검출된 환원제의 농도가 기준 농도 이하인 경우 사용자에게 경고 신호를 출력하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 장치.
환원제 분사 모듈로 공급되는 환원제의 농도를 측정하는 단계;
상기 측정된 환원제 농도가 기준 농도 이하인지 여부를 판단하는 단계;
상기 환원제의 농도가 기준 농도 이하인 경우 엔진에서 배출되는 질소산화물이 현재의 배출량보다 적게 배출되도록 엔진의 연소 조건을 변경하는 단계; 및
상기 변경된 연소 조건에 따라 엔진을 제어하는 단계를 포함하는 엔진 제어 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 엔진의 연소 조건을 변경하는 단계는 엔진의 EGR율을 증가시키거나, 연료 분사시기를 지연시키거나 연료 분사압력을 감소시키는 것 중에서 적어도 하나를 수행하는 단계를 포함하는 엔진 제어 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 연소 조건을 변경하는 단계는 엔진 배기가스 중에서 PM의 배출량이 배기가스 규제를 초과하지 않는 범위 이내에서 수행되는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 연소 조건을 변경할 경우 대기로 배출되는 배기가스가 허용 한계값을 초과하는 지 여부를 판단하는 단계; 및
상기 대기로 배출되는 배기가스가 허용 한계값을 초과할 경우 엔진 출력을 감소하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.
제 5 항에 있어서, 상기 검출된 환원제의 농도가 기준 농도 이하인 경우 사용자에게 경고 신호를 출력하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어 방법.