KR20200018857A - 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법 - Google Patents

엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 디젤 미립자 필터(DPF)의 재생 조건에서 상기 DPF와 질소산화물 저감장치(SCR) 사이로 냉각공기를 공급하여서 상기 SCR 입구측 가스 온도를 감온 제어하고 적정범위로 유지시킴으로써 우레아 분사량의 증가 없이 상기 SCR의 배기 정화효율을 최적화할 수 있는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.

Description

엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법 {Control method for ensuring exhaust purification efficiency of engine system}
본 발명은 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 디젤 미립자 필터(DPF)의 재생 조건에서 질소산화물 저감장치(SCR)의 배기 정화효율이 저감되는 것을 방지하기 위한 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법에 관한 것이다.
일반적으로 디젤엔진의 경우 흡기 과급을 위해 터보차저를 사용하거나 또는 터보차저와 수퍼차저를 동시 사용하는 엔진 시스템이 적용된다. 상기 터보차저는 엔진의 구동 시에 발생하는 배기가스에 의해 회전되는 터빈을 이용하여 엔진 흡기라인상의 컴프레서를 회전시킴으로써 엔진 흡기라인으로 유입되는 공기를 압축시켜 엔진 연소실에 과급되도록 하며, 상기 수퍼차저는 모터 혹은 엔진의 동력을 이용하여 엔진 흡기라인상의 컴프레서를 회전시킴에 의해 엔진 흡기라인으로 유입된 공기를 압축시켜 엔진 연소실에 과급되도록 한다.
한편, 상기 터보차저의 터빈 출구측에는 배기가스의 정화를 위해 배기가스내 입자상 물질(PM)을 제거하는 디젤 미립자 필터(DPF, Diesel Particulate Filter) 및 배기가스내 질소산화물(NOx)을 제거하는 질소산화물 저감장치(SCR, Selective Catalytic Reduction) 등이 설치되고 있다.
상기 디젤 미립자 필터(DPF)의 경우 엔진의 배기 열 등을 이용한 온도 상승에 의해 필터(DPF)내 퇴적된 입자상 물질을 연소시켜 제거하는 재생이 이루어진다. 따라서, 디젤 엔진의 DPF 재생 조건에서는 고온의 배기가스(약 550~650℃)가 질소산화물 저감장치(SCR)로 유입된다.
통상 SCR의 최적 배기 정화효율은 300~350℃ 수준에서 형성되며, 우레아 인젝터에 의해 SCR의 입구측에 분사되는 우레아(Urea)의 경우 350℃를 초과 시 산화 반응이 발생하여 실제로 우레아 인젝터에서 분사된 양(우레아 분사량) 대비 SCR에서 사용될 수 있는 양(우레아 사용량)이 감소하게 된다.
이와 같은 상황에서는 SCR의 배기 정화효율이 저하되는 문제가 발생하며, 상기 효율 저하를 방지하기 위해 상기 우레아 사용량을 본래 수준으로 회복시키는 경우 상기 우레아 분사량을 증가시켜야 하는 문제가 발생하게 된다.
공개특허 제10-2009-0012430호 등록특허 제10-1714265호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 디젤 미립자 필터(DPF)의 재생 조건에서 상기 DPF와 질소산화물 저감장치(SCR) 사이로 냉각공기를 공급하여서 상기 SCR 입구측 가스 온도를 감온 제어하고 적정범위로 유지시킴으로써 우레아 분사량의 증가 없이 상기 SCR의 배기 정화효율을 최적화할 수 있는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법을 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 엔진 배기라인에 설치된 디젤 미립자 필터(DPF)의 재생 여부를 판단하는 재생판단단계; 상기 DPF가 재생될 때에, 상기 DPF의 출구측에 배치된 질소산화물 저감장치(SCR)의 입구측 가스 온도를 상기 SCR의 배기 정화효율 확보를 위해 설정한 목표온도범위 내로 제어하는 온도제어단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법을 제공한다.
본 발명의 구현예에 의하면 상기 온도제어단계는, 상기 DPF와 SCR 사이로 공급되어 상기 SCR 입구측 가스 온도를 감온시키기 위한 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00001
)을 계산하는 제1단계; 상기 DPF와 SCR 사이로 상기 냉각공기를 압송하기 위한 전동식 수퍼차저의 모터 회전수를 제어하는 제2단계;를 포함한다.
상기 제1단계에서는, DPF 통과 가스 유량(
Figure pat00002
)과 DPF 출구측 가스 온도(TDPF_out) 및 SCR 입구측 가스 목표온도(TSCR_in_target) 그리고 상기 냉각공기의 온도(Tcool)를 기초로 상기 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00003
)을 계산하며, 구체적으로 상기 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00004
)은
Figure pat00005
에 의해 계산된다.
또한 상기 제2단계는, DPF 출구측 압력(PDPF_out)과 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00006
)을 기초로 DPF 출구측 압력(PDPF_out)보다 일정치 이상 높은 압력값으로서 상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)을 결정하는 단계; 엔진 흡기유량과 상기 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00007
)을 합산한 유량 값을 기초로 상기 전동식 수퍼차저측으로 공급되는 엔진 흡기의 부스트 압력(Pboost)을 결정하는 단계; 상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)과 상기 부스트 압력(Pboost) 간에 압력비(γeBooster) 및 상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)을 기초로 상기 전동식 수퍼차저의 모터 회전수를 결정하는 단계;를 포함한다. 이때 상기 압력비(γeBooster)는
Figure pat00008
에 의해 계산되며,
상기 전동식 수퍼차저의 모터 회전수는 상기 압력비(γeBooster)와 냉각공기의 공급압력(Pcool)을 기초로 상기 모터 회전수를 결정할 수 있도록 구성된 모터 회전수 모델에 의해 결정된다.
본 발명에 따른 엔진 시스템의 제어 방법에 의하면, 디젤 미립자 필터(DPF)의 재생 시에 질소산화물 저감장치(SCR)의 입구측 가스 온도를 감온 제어함으로써 DPF 재생을 위한 배기 온도 상승으로 인해 질소산화물 저감장치(SCR)의 배기 정화효율이 저감되는 것을 방지하고 최적 효율을 확보할 수 있으며, 또한 DPF 재생 조건에서 SCR 입구측에 분사되는 우레아의 산화를 방지하여 SCR에서 사용되는 우레아 사용량의 감소를 방지할 수 있고 결과적으로 SCR 입구측에 분사되는 우레아 분사량을 최적화할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명에 따른 엔진 시스템을 나타낸 구성도
도 2는 본 발명에 따른 엔진 시스템의 디젤 미립자 필터(DPF)의 미재생 시 가스 유동을 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 엔진 시스템의 디젤 미립자 필터(DPF)의 재생 시 가스 유동을 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법을 나타낸 개략도
도 5는 종래 엔진 시스템의 디젤 미립자 필터(DPF) 재생 시 가스 유동을 나타낸 도면
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명에 따라 디젤 미립자 필터(DPF)의 재생 조건에서도 질소산화물 저감장치(SCR)의 배기 정화효율을 최적범위의 수준으로 유지하기 위한 엔진 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 엔진 시스템은 엔진(100)으로 공급되는 흡기의 과급을 위한 터보차저(110)와 전동식 수퍼차저(120)를 포함하여 구성되며, 상기 엔진(100)의 흡기라인(흡기유로)에는 에어클리너(130)와 인터쿨러(134) 등이 설치되고, 상기 엔진(100)의 배기라인(배기유로)에는 디젤 미립자 필터(DPF)(140)와 질소산화물 저감장치(SCR)(142) 등이 설치된다.
상기 에어클리너(130)는 흡기라인으로 유입되는 공기에서 이물질을 제거하는 것으로서, 가스유동방향을 기준으로 LP-EGR 밸브(132)의 전단에 배치될 수 있다.
상기 인터쿨러(134)는 터보차저(110)의 압축에 의해 승온된 공기(흡기)를 냉각시켜 엔진(100)의 연소실로 공급하는 것으로서, 가스유동방향을 기준으로 터보차저의 컴프레서(114) 후단에 배치될 수 있다.
상기 디젤 미립자 필터(DPF)(140)는 엔진(100)에서 배출된 배기가스에 포함된 입자상 물질을 제거하는 것으로서 상기 터보차저(110)의 터빈(112) 후단(출구측)에 배치될 수 있다.
상기 질소산화물 저감장치(SCR)(142)는 배기가스에 포함된 질소산화물을 정화시켜 제거하는 것으로서 상기 DPF(140)의 후단(출구측)에 배치될 수 있다.
상기 터보차저(110)는 엔진(100)의 배기라인에 설치된 터빈(112)과 엔진(100)의 흡기라인에 설치된 컴프레서(114)가 동축으로 연결되어 구성된 것으로서, 엔진(100)의 구동 시에 발생하는 배기가스에 의해 회전되는 터빈(112)을 이용하여 상기 컴프레서(114)를 회전시킬 수 있도록 구성되며, 상기 컴프레서(114)의 회전에 의해 엔진 흡기라인으로 공급되는 공기(흡기)를 압축시켜 엔진 연소실에 과급되도록 한다.
상기 전동식 수퍼차저(120)는 모터(124)의 동력을 이용하여 엔진 흡기라인에 설치된 컴프레서(122)를 회전시킬 수 있도록 구성된 것으로서, 상기 컴프레서(122)의 회전에 의해 엔진 흡기라인의 공기를 압축시켜 엔진 연소실에 과급되도록 한다.
상기 인터쿨러(134)와 수퍼차저의 컴프레서(122) 사이에는 인터쿨러(134)를 통과한 흡기가 수퍼차저의 컴프레서(122)를 거치지 않고 (우회하여) 엔진 연소실로 공급될 수 있도록 하기 위한 바이패스 유로(136)가 구성되며, 상기 바이패스 유로(136)에는 유로 개폐를 위한 바이패스 밸브(138)가 설치된다. 상기 바이패스 밸브(138)는 수퍼차저(120)의 작동 시에 유로를 닫도록 작동되고 상기 수퍼차저(120)의 미작동 시에는 유로를 열도록 작동된다. 이에 인터쿨러(134)를 통과한 흡기가, 상기 수퍼차저(120)의 작동 시에는 수퍼차저의 컴프레서(122)를 통과하여 엔진(100)으로 공급되고, 상기 수퍼차저(120)의 미작동 시에는 바이패스 유로(136)를 통과하여 엔진(100)으로 공급된다(도 2 참조).
그리고, 상기 DPF(140)의 후단과 에어클리너(130)의 후단 사이에는 DPF(140)에 의해 정화된 배기가스를 에어클리너(130)의 후단(즉, 터보차저용 컴프레서의 전단)으로 공급하기 위한 LP-EGR 유로(144)가 연장 배치되며, 상기 LP-EGR 유로(144)에는 DPF(140)에 의해 정화된 배기가스를 냉각시키기 위한 LP-EGR 쿨러(146)가 설치될 수 있다.
또한, 수퍼차저용 컴프레서(122)의 후단과 상기 LP-EGR 유로(144) 사이에는 상기 수퍼차저용 컴프레서(122)에 의해 압축된 흡기를 상기 LP-EGR 유로(144)에 공급하기 위한 냉각공기 유로(148)가 연장 구성된다. 상기 냉각공기 유로(148)는 LP-EGR 쿨러(146)의 전단측에 연결되도록 배치될 수 있으며, 이러한 냉각공기 유로(148)를 통과한 냉각공기는 LP-EGR 쿨러(146)를 역방향으로 통과하여 DPF(140)의 출구측(즉, DPF의 후단)으로 공급될 수 있다.
상기 수퍼차저용 컴프레서(122)의 후단(즉, 출구측)에는 공기 유동을 제어하기 위한 유동제어밸브(150)가 설치되며, 상기 유동제어밸브(150)는 수퍼차저용 컴프레서(122)에 의해 압축된 공기를 상기 냉각공기 유로(148)와 흡기 매니폴드 입구측 유로(154) 중 어느 하나로 공급할 수 있도록 제어가능하게 구성될 수 있으며, 예를 들어 3방향 밸브로서 구성될 수 있다. 상기 흡기 매니폴드 입구측 유로(154)에는 유로 개폐를 위해 스로틀 밸브(156)가 설치될 수 있다.
상기 DPF(140)는 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집한 후에 제거하고 다시 포집하는 과정을 반복하게 되며, 이때 DPF(140)내 퇴적된 입자상 물질을 연소시켜 제거하는 과정에 의해 DPF(140)가 재생된다.
도 5를 참조하여 살펴보면, 종래의 엔진 시스템은 DPF(140)의 재생 시에 터보차저의 터빈(112)과 함께 구성된 베인(Vane)(미도시)을 오픈하여 엔진(100)의 흡기 유량을 감소시키고(과급압 감소) HP-EGR 밸브(158)를 닫아서 엔진(100)의 연소를 안정시킨다. 상기 HP-EGR 밸브(158)는 배기 매니폴드(160)와 흡기 매니폴드(152) 사이에 구성된 HP-EGR 유로(162)에 설치된 개폐수단이며, 상기 터보차저(110)는 상기 베인의 축을 회전시켜서 배기가스의 유동 각도를 조절하여 터빈(112)의 블레이드에 전달되는 운동량을 조절할 수 있다. 그리고, 엔진(100)의 연료분사계를 제어하여 후분사를 증대시켜 배기가스의 온도를 상승시킨다. 이때 DPF(140)를 통과한 배기 온도(DPF 후단의 배기가스 온도)는 약 550~650℃ 수준까지 상승할 수 있다. 상기 후분사는 엔진(100)의 출력 확보를 위한 메인분사 이후 배기 온도의 상승을 위해 발생하는 연료분사이다.
즉, 상기 DPF(140)의 재생 조건에서는 DPF(140)를 재생하지 않는 평상 시보다 배기가스의 온도가 상승하게 되고, 이렇게 상승된 고온의 배기가스(약 550~650℃)는 DPF(140)를 통과한 뒤 SCR(142)로 유입된다. 상기 SCR(142)의 배기 정화효율은 DPF(140) 재생 시의 배기가스 온도보다 일정치 이상 낮은 온도(약 300~350℃)에서 최적화되며, 우레아 인젝터(164)에 의해 SCR(142)의 입구측에 분사되는 우레아(Urea)의 경우 350℃를 초과 시 산화 반응이 발생하여 실제로 우레아 인젝터(164)에서 분사된 양(우레아 분사량) 대비 SCR에서 사용될 수 있는 양(우레아 사용량)이 감소하게 된다. 이와 같은 상황에서는 SCR(142)의 배기 정화효율이 저하되는 문제가 발생하며, 상기 효율 저하를 방지하기 위해 상기 우레아 사용량을 본래 수준으로 회복시키는 경우 상기 우레아 분사량을 증가시켜야 하는 문제가 발생하게 된다.
이에 본 발명에서는 DPF(140)의 재생 조건에서 DPF(140)와 SCR(142) 사이로 감온용 냉각공기를 공급하여 SCR 입구측 온도를 SCR(142)의 최적 정화효율을 확보할 수 있는 범위로 유지시킴으로써 상기 우레아 분사량의 증가 없이 SCR(142)의 정화효율 저하를 방지할 수 있도록 한다.
이하, 도 1에 도시된 바와 같이 구성된 엔진 시스템에서 DPF(140)의 재생 시에 우레아 분사량의 증가 없이 SCR(142)의 최적 정화효율을 확보하기 위한 시스템 제어 방법을 설명하도록 한다.
첨부된 도 2는 DPF의 미재생 시에 가스 유동을 나타낸 도면이고, 도 3은 DPF의 재생 시에 가스 유동을 나타낸 도면이다.
도 2에 나타낸 바와 같이, DPF(140)의 미재생 조건에서 터보차저(110)의 컴프레서(114)에 의해 압축된 공기는, 인터쿨러(134)를 통과한 뒤 바이패스 밸브(138)와 수퍼차저의 컴프레서(122) 중 어느 하나를 통과하여 엔진 연소실로 공급된다. 상기 터보차저(110)의 컴프레서(114)에 의해 압축된 공기는, 상기 수퍼차저용 컴프레서(122)의 작동 시에는 수퍼차저용 컴프레서(122)를 통과하여 엔진 연소실로 공급되고, 상기 수퍼차저용 컴프레서(122)의 미작동 시에는 바이패스 밸브(138)를 통과하여 엔진 연소실로 공급된다.
그리고, 도 3에 나타낸 바와 같이, DPF(140)의 재생 조건에서 터보차저의 컴프레서(114)에 의해 압축된 공기는, 인터쿨러(134)를 통과한 뒤 분기되어 바이패스 밸브(138)와 수퍼차저의 컴프레서(122)를 동시/모두 통과하게 된다. 상기 바이패스 밸브(138)를 통과한 공기(연소공기)는 엔진 연소실로 공급되고, 상기 수퍼차저의 컴프레서(122)를 통과한 공기(냉각공기)는 유동제어밸브(150)에 의해 LP-EGR 유로(144)를 통과하여 DPF(140)와 SCR(142) 사이에 연결된 유로에 압송된다. 상기 냉각공기는 DPF(140)의 재생을 위해 승온된 배기가스의 온도를 감온시키기 위한 것으로서, 전동식 수퍼차저(120)를 압송용 펌프로 활용하여 LP-EGR 유로(144)에 공급되며 LP-EGR 유로(144)를 역방향으로 통과하여 DPF(140)의 출구측 및 SCR(142)의 입구측으로 공급된다.
상기 DPF(140)와 SCR(142) 사이를 통과하는 배기가스의 온도를 설정된 목표온도범위로 감온시키기 위해 상기 냉각공기의 공급유량 및 공급압력이 제어되며, 상기 냉각공기의 공급유량 및 공급압력은 제어기(미도시)에 의해 결정 제어된다. 이때 상기 제어기는 상기 엔진 시스템의 전반적인 제어를 담당하는 엔진 제어기일 수 있다.
상기 냉각공기의 공급 제어를 위해, 상기 제어기는 도 4에 나타낸 바와 같이 먼저 DPF(140)의 재생 여부를 판단한다. DPF(140)를 통과한 배기가스의 온도가 DPF(140)의 재생 온도범위(예를 들어, 550~650℃)에 해당되는 것으로 판단되면, 상기 제어기는 DPF(140)가 재생 모드에 진입하여 DPF(140)의 재생이 수행되고 있는 것으로 판단한다. 상기 DPF(140)를 통과한 배기가스의 온도가 DPF(140)의 재생 온도범위에 포함되지 않으면, 상기 제어기는 DPF(140)가 재생 모드에 진입하지 않은 것으로 판단한다.
상기 DPF(140)가 재생 모드에 진입하여 DPF(140)의 재생이 이루어질 때, 상기 제어기는 DPF(140)의 출구측에 배치된 SCR(142)의 입구측 가스 온도를 배기 정화효율을 최적범위내로 확보하기 위해 설정된 목표온도범위(예를 들어, 300~350℃)에 포함되도록 감온 제어한다. 상기 목표온도범위는 차량에 따라 변경될 수 있다.
상기 SCR(142)의 입구측 가스 온도를 상기 목표온도범위로 감온시키기 위해, 상기 제어기는 먼저 DPF 출구측 가스 온도(TDPF_out)와 SCR 입구측 가스 목표온도(TSCR_in_target) 및 DPF(140)와 SCR(142)의 사이로 공급되는 냉각공기의 온도(Tcool)를 추정하여 결정한다. 상기 DPF 출구측 가스 온도(TDPF_out)는 실험 및 평가 등을 통해 사전 구축한 DPF 출구측 가스 온도 모델을 이용하여 추정할 수 있으며, 상기 DPF 출구측 가스 온도 모델은 DPF 입구측 가스 온도와 DPF의 재생 온도를 기초로 DPF 출구측 가스 온도를 예측하여 결정할 수 있는 모델로서 구성되어 상기 제어기에 저장될 수 있다. 상기 SCR 입구측 가스 목표온도(TSCR_in_target)는 실험 및 평가 등을 통해 사전 구축한 SCR 입구측 가스 목표온도 모델을 이용하여 추정할 수 있으며, 상기 SCR 입구측 가스 목표온도 모델은 DPF 출구측 가스 온도와 상기 설정된 목표온도범위(혹은 설정된 목표온도범위의 최고온도값)를 기초로 SCR 입구측 가스 목표온도(TSCR_in_target)를 예측할 수 있는 맵으로서 구성되어 상기 제어기에 저장될 수 있다. 그리고, 상기 냉각공기의 온도(Tcool)는 실험 및 평가 등을 통해 사전 구축한 냉각공기 온도 모델을 이용하여 예측할 수 있으며, 상기 냉각공기 온도 모델은 인터쿨러(134)의 출구측 온도와 수퍼차저(120)의 입출력 압력비, LP-EGR 쿨러(146)의 출구측 온도를 기초로 냉각공기의 온도(Tcool)를 예측할 수 있는 맵으로서 구성되어 상기 제어기에 저장될 수 있다. 이때, 상기 DPF 출구측 가스 온도(TDPF_out)는 DPF(140)와 SCR(142) 사이로 냉각공기를 공급하기 전에 DPF(140)를 통과한 배기가스의 온도값으로서 추정되고, 상기 SCR 입구측 가스 목표온도(TSCR_in_target)는 SCR(142)의 최적 정화효율을 확보하기 위해 SCR(142) 입구측으로 공급되는 가스(배기가스+냉각공기)의 목표온도값으로서 추정되며, 상기 냉각공기의 온도(Tcool)는 SCR(142)의 입구측 가스 온도를 상기 목표온도(TSCR_in_target)로 감온시키기 위해 상기 SCR(142)과 DPF(140) 사이로 공급되는 냉각공기의 온도값으로서 추정된다.
다음, 상기 제어기는 상기 추정한 DPF 출구측 가스 온도(TDPF_out)와 SCR 입구측 가스 목표온도(TSCR_in_target) 및 냉각공기의 온도(Tcool) 그리고 DPF 통과 가스 유량(
Figure pat00009
)을 기초로 상기 SCR과 DPF 사이로 공급되는 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00010
)을 계산한다. 상기 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00011
)은 아래 식 1과 같이 계산할 수 있다.
식 1 :
Figure pat00012
상기 식 1에서 DPF 통과 가스 유량(
Figure pat00013
)은 단위시간당 DPF를 통과하는 배기가스 유량값이며, HFM 센서를 통해 측정한 엔진 흡기라인의 흡기유량과 DPF 재생 시에 엔진 연소실에 분사되는 연료량(메인분사+후분사)을 합산한 값으로서 결정된다. 상기 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00014
)을 계산 시, LP-EGR 유로(144)를 통해 SCR(142)과 DPF(140) 사이로 공급되는 냉각공기의 비열 및 DPF(140)를 통과하여 SCR(142) 입구측으로 흐르는 배기가스의 비열은 동일한 것으로 가정한다.
상기와 같이 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00015
)을 계산한 다음, 상기 제어기는 터보차저의 컴프레서(114)에 의해 발생하는 엔진 흡기라인(구체적으로, 터보차저의 컴프레서와 수퍼차저의 컴프레서 사이)의 부스트 압력(Pboost)을 결정하고 제어한다. 상기 부스트 압력(Pboost)은 DPF(140)의 재생 시 엔진 구동을 위해 필요한 흡기유량과 상기 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00016
)을 합산한 총 유량값을 엔진 흡기라인에 발생시키기 위한 압력값으로서 결정되며, 터보차저(110)의 과급량을 제어할 수 있는 터보차저(110)용 베인의 개폐량을 제어하여 상기 부스트 압력(Pboost)을 제어할 수 있다.
이어서, 상기 제어기는 냉각공기의 공급압력(Pcool)을 제어하기 위한 전동식 수퍼차저(120)의 모터 회전수(회전속도)를 결정한다. 상기 모터 회전수를 결정하고 제어하기 위해, 상기 제어기는 먼저 상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)을 추정하여 결정한다. 상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)은 상기 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00017
)과 DPF 출구측 압력(PDPF_out)를 기초로 결정할 수 있다. 상기 DPF 출구측 압력(PDPF_out)은 DPF(140) 출구측에 흐르는 배기가스 압력값이며, 실험 및 평가 등을 통해 사전 구축한 DPF 출구측 압력 모델을 이용하여 추정할 수 있다. 상기 DPF 출구측 압력 모델은 DPF 통과 가스 유량(
Figure pat00018
)을 입력값으로 이용하여 DPF 출구측 압력(PDPF_out)을 결정하는 맵으로서 구성되어 상기 제어기에 저장될 수 있다.
상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)은 상기 DPF 출구측 압력(PDPF_out)보다 일정치 이상 큰 값으로 결정되며, 그 압력차(목표 압력차)에 의해 냉각공기가 DPF(140)와 SCR(142) 사이로 공급될 수 있게 된다.
상기 목표 압력차를 발생시키기 위해, 상기 제어기는 수퍼차저용 컴프레서(122)의 입구측 압력(즉, 인터쿨러의 출구측 압력)과 출구측 압력(즉, 냉각공기의 공급압력) 간에 압력비(γeBooster)를 계산하고, 상기 압력비(γeBooster)와 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00019
)을 기초로 수퍼차저(120)의 모터 회전수를 결정하고 제어한다. 상기 압력비(γeBooster)는 아래 식 2와 같이 계산할 수 있다.
식 2 :
Figure pat00020
상기 Pintercooler_out는 인터쿨러(134)의 출구측 압력이고, 상기 Pcool은 냉각공기의 공급압력이고, 상기 인터쿨러(134)의 출구측 압력(Pintercooler_out)은 부스트 압력(Pboost)과 동일하다고 가정한다.
또한, 상기 모터 회전수는 사전 구축한 모터 회전수 모델을 이용하여 추정할 수 있으며, 상기 모터 회전수 모델은 상기 압력비(γeBooster)와 냉각공기의 공급유량(
Figure pat00021
)을 입력값으로 이용하여 모터 회전수를 결정하는 맵으로서 구성되어 상기 제어기에 저장될 수 있다.
상기와 같이 결정한 모터 회전수로 수퍼차저용 모터(124)를 구동시킴으로써 수퍼차저의 컴프레서(122)에서 토출된 압축 공기의 공급압력(즉, SCR 입구측 가스 온도를 낮추기 위한 냉각공기의 공급압력(Pcool))을 SCR(142)와 DPF(140) 사이로 공급가능한 수준으로 제어할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
100 : 엔진 110 : 터보차저
112 : 터보차저용 터빈 114 : 터보차저용 컴프레서
120 : 전동식 수퍼차저 122 : 수퍼차저용 컴프레서
124 : 수퍼차저용 모터 130 : 에어클리너
132 : LP-EGR 밸브 134 : 인터쿨러
136 : 바이패스 유로 138 : 바이패스 밸브
140 : 디젤 미립자 필터(DPF) 142 : 질소산화물 저감장치(SCR)
144 : LP-EGR 유로 146 : LP-EGR 쿨러
148 : 냉각공기 유로 150 : 유동제어밸브
152 : 흡기 매니폴드 154 : 흡기 매니폴드 입구측 유로
156 : 스로틀 밸브 158 : HP-EGR 밸브
160 : 배기 매니폴드 162 : HP-EGR 유로
164 : 우레아 인젝터

Claims (7)

  1. 엔진 배기라인에 설치된 디젤 미립자 필터(DPF)의 재생 여부를 판단하는 재생판단단계;
    상기 DPF가 재생될 때에, 상기 DPF의 출구측에 배치된 질소산화물 저감장치(SCR)의 입구측 가스 온도를 상기 SCR의 배기 정화효율 확보를 위해 설정한 목표온도범위 내로 제어하는 온도제어단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도제어단계는,
    상기 DPF와 SCR 사이로 공급되어 상기 SCR 입구측 가스 온도를 감온시키기 위한 냉각공기의 공급유량(
    Figure pat00022
    )을 계산하는 제1단계;
    상기 DPF와 SCR 사이로 상기 냉각공기를 압송하기 위한 전동식 수퍼차저의 모터 회전수를 제어하는 제2단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제1단계에서는, DPF 통과 가스 유량(
    Figure pat00023
    )과 DPF 출구측 가스 온도(TDPF_out) 및 SCR 입구측 가스 목표온도(TSCR_in_target) 그리고 상기 냉각공기의 온도(Tcool)를 기초로 상기 냉각공기의 공급유량(
    Figure pat00024
    )을 계산하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 냉각공기의 공급유량(
    Figure pat00025
    )은
    Figure pat00026

    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법.
  5. 청구항 2에 있어서,
    상기 제2단계는,
    DPF 출구측 압력(PDPF_out)과 냉각공기의 공급유량(
    Figure pat00027
    )을 기초로 DPF 출구측 압력(PDPF_out)보다 일정치 이상 높은 압력값으로서 상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)을 결정하는 단계;
    엔진 흡기유량과 상기 냉각공기의 공급유량(
    Figure pat00028
    )을 합산한 유량 값을 기초로 상기 전동식 수퍼차저측으로 공급되는 엔진 흡기의 부스트 압력(Pboost)을 결정하는 단계;
    상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)과 상기 부스트 압력(Pboost) 간에 압력비(γeBooster) 및 상기 냉각공기의 공급압력(Pcool)을 기초로 상기 전동식 수퍼차저의 모터 회전수를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 압력비(γeBooster)는
    Figure pat00029
    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 전동식 수퍼차저의 모터 회전수는, 상기 압력비(γeBooster)와 냉각공기의 공급압력(Pcool)을 기초로 상기 모터 회전수를 결정할 수 있도록 구성된 모터 회전수 모델에 의해 결정하는 것을 특징으로 하는 엔진 시스템의 배기 정화효율을 확보하기 위한 제어 방법.
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