WO2012087082A2 - 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 ｄｐｆ 강제 재생 시스템 및 방법 - Google Patents

전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 ｄｐｆ 강제 재생 시스템 및 방법 Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a DPF forced regeneration system of a diesel engine, and more particularly, to provide DPF forced regeneration quickly by providing a non-work load arbitrarily to a diesel engine even when substantial work of a construction machine including an electro-hydraulic pump is stopped.
  • the present invention relates to a DPF forced regeneration system and a method thereof.
  • Diesel engines used in construction machinery are required to meet various regulations and standards.
  • One such criterion is the reduction of pollutants such as NOx and Particulate Matter (PM) contained in exhaust gases, which can be a major environmental standard along with noise regulations in the use of construction equipment. have.
  • pollutants such as NOx and Particulate Matter (PM) contained in exhaust gases
  • EGR Exhaust Gas Recirculation
  • DPF Diesel Particulate Filter
  • the diesel fine dust filter refers to a filter capable of collecting and filtering particulate dust (soot), which is a particulate matter containing soot in a muffler, on a path through which exhaust gas from a diesel engine is discharged.
  • particulate dust a particulate matter containing soot in a muffler
  • such a filter requires a process of arbitrarily removing the fine dust collected therein periodically or in accordance with the amount collected, which is commonly referred to as 'DPF regeneration' or 'burning off'.
  • DPF forced regeneration means that a driver forcibly drives an engine of a construction machine without actually performing work to discharge high-temperature exhaust gas, based on the temperature of the exhaust gas.
  • the fuel is exothermic to the diesel oxidation catalyst (DOC), which is also pre-located on the exhaust path, causing the dust to be collected in the filter by raising the temperature of the exhaust gas to a temperature necessary for combustion (regeneration) of the fine dust.
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • the engine emits exhaust gas at a higher temperature when the engine is driven under a load than the idle driving state.
  • the engine is driven from the stopped state of the construction machine to a substantially no-load state (idle state) until the temperature of the exhaust gas increases to a predetermined temperature at which the exothermic reaction of the DOC is possible. It takes time. Therefore, it is required to carry out a procedure of forcibly controlling the pump to discharge hydraulic oil to generate a so-called 'non-work load' to load the engine without carrying out work.
  • FIG. 1 shows an example of a hydraulic circuit diagram of a structure including such an electrohydraulic pump.
  • FIG. 1 shows an example of a hydraulic circuit diagram of a structure including such an electrohydraulic pump.
  • details of elements such as a pilot line for transmitting a driver's operation, a work machine performing an actual work, and the like are omitted.
  • such a construction machine includes electrohydraulic pumps 10a and 10b driven by a diesel engine 20, and the electrohydraulic pumps 10a and 10b are, for example, an electromagnetic proportional control valve (EPPR).
  • the discharge flow rate may be adjusted by receiving an electronic control signal (eg, a current signal) transmitted from the controller 50 through the regulators 12a and 12b.
  • the hydraulic oil discharged from the electromagnetic hydraulic pumps 10a and 10b is supplied to a plurality of work machines (not shown) through a plurality of main control valves (MCV) 30 to drive these work machines.
  • the diesel engine 20 is also controlled by an engine controller (ECU) 22.
  • ECU engine controller
  • such a closed hydraulic circuit includes a center bypass cut valve 40a, 40b corresponding to each of the electrohydraulic pumps 10a, 10b, and a center bypass cut solenoid valve 42 for controlling the operation thereof.
  • the hydraulic circuit is maintained in a closed state with the center bypass cut valves 40a and 40b closed.
  • Another object of the present invention is to allow a diesel engine to quickly discharge high-temperature exhaust gas under a non-work load so that the high-temperature exhaust gas can exothermicly react with DOC to burn the fine dust collected in the DPF.
  • an embodiment of the present invention is a diesel engine; A discharge flow rate controlled by a current control of a controller, the electro-hydraulic pump driven by the diesel engine; A plurality of work machines driven by hydraulic oil discharged from the electrohydraulic pump; A center bypass line having one end connected to the electrohydraulic pump and the other end connected to the tank such that the working oil discharged from the electrohydraulic pump is returned to the tank when the plurality of work machines are not driven; A center bypass cut valve for selectively blocking a connection between the center bypass line and the tank; A diesel fine dust filter (DPF) for filtering contaminants from the exhaust gas from the diesel engine; And a DPF regeneration means including a diesel oxidation catalyst device (DOC) that generates an exothermic reaction with the fuel at a predetermined temperature.
  • DOC diesel oxidation catalyst device
  • the controller includes the center bypass cut valve being driven during forced regeneration of the DPF. While the line is connected to the tank, the discharge flow rate of the electrohydraulic pump is increased without driving the work machine to generate a non-work load, and the heat output of the diesel engine is increased by the non-work load, thereby allowing the exhaust gas to reach the predetermined temperature. It provides a DPF forced regeneration system for a construction machine comprising an electro-hydraulic pump characterized in that it is raised.
  • the hydraulic system further comprises a safety cutoff valve disposed on a path for transmitting pilot pressure instructing each of the working machines and configured to block transmission of the pilot pressure in operation, such a safety cutoff valve.
  • the valve is operated at the start of the DPF regeneration to block delivery of the pilot pressure, and is deactivated after the DPF regeneration is completed to enable the delivery of the pilot pressure.
  • the electro-hydraulic pump is characterized in that the discharge flow rate is controlled based on the control current received through the electromagnetic proportional control valve (EPPR).
  • EPPR electromagnetic proportional control valve
  • Another embodiment of the present invention is a method of forcibly regenerating a DPF in the DPF forced regeneration system of the above embodiment, the method comprising: a) receiving a DPF forced regeneration instruction; b) driving the center bypass cut valve to open the system and providing an arbitrary control current to the electromagnetic proportional control valve (EPPR) to adjust the corresponding electrohydraulic pump to discharge the hydraulic fluid at a predetermined flow rate; c) overheating the diesel engine through a non-work load generated by the hydraulic oil discharge of the electro-hydraulic pump; And d) forcing an exothermic reaction by injecting fuel into a diesel oxidation catalyst device (DOC) on a path through which exhaust gas heated to a predetermined temperature is discharged to perform DPF forced regeneration.
  • DOC diesel oxidation catalyst device
  • the DPF forced regeneration system includes a main control valve for driving each work machine by being driven in response to the driver's work order transmission, the step b) is the work delivered to the main control valve It is characterized in that it is performed only when the instruction is in the blocked state.
  • the high-temperature exhaust gas may exothermic reaction with the DOC to burn the fine dust collected in the DPF.
  • FIG. 1 is a simplified illustration of a conventional hydraulic circuit diagram including an electrohydraulic pump
  • FIG. 2 is a simplified diagram of a DPF forced regeneration system in accordance with one embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a flow chart illustrating an exemplary procedure in which the system of FIG. 2 is operated.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of control logic for generating a non-work load.
  • FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a DPF forced regeneration system according to an embodiment of the present invention. Referring to Figure 2, briefly describe the hydraulic circuit of the construction machine used in the present invention.
  • the construction machine of this embodiment includes electrohydraulic pumps 10a and 10b.
  • the electrohydraulic pumps 10a and 10b may adjust the flow rate discharged by adjusting the swash plate angle through the regulators 12a and 12b such as, for example, the electromagnetic proportional control valve EPPR.
  • the electromagnetic proportional control valve EPPR receives a current signal (electronic control signal) from the controller 50 to adjust the swash plate angle in the pump.
  • the hydraulic oil discharged from the electromagnetic hydraulic pumps 10a and 10b is supplied to the plurality of main control valves (MCVs) 30 by the center bypass line 80 and a plurality of parallel lines (not shown in FIG. 2),
  • the hydraulic oil supplied to the plurality of main control valves 30 is controlled by the respective main control valves 30 to be supplied to individual work machines (not shown) corresponding to the main control valves 30.
  • These work machines may include front work machines such as booms, arms, buckets, and the like, travel / steer means such as travel pumps, swing pumps, and the like, cooling means such as fans, and the like.
  • center bypass cut valves 40a and 40b which are driven by the center bypass cut solenoid valve 42 are provided.
  • a hydraulic system including the electrohydraulic pumps 10a and 10b is driven with these center bypass cut valves 40a and 40b closed.
  • One end of the center bypass line 80 is connected to the discharge parts of the electromagnetic hydraulic pumps 10a and 10b, and the other end thereof is connected to the tank via the main control valves 30. Accordingly, the hydraulic fluid discharged from the electrohydraulic pumps 10a and 10b when the individual work machines are not driven is returned to the tank.
  • the center bypass cut valves 40a and 40b are installed at the other end of the center bypass line 80.
  • the hydraulic system in the embodiment of the present invention is driven in a state in which the center bypass line 80 is closed, that is, a closed system. Therefore, in such a system, the electrohydraulic pumps 10a and 10b are controlled to discharge only the amount of hydraulic oil required by each work machine.
  • center bypass cut valves 40a and 40b generally operate only in certain cases to open the system.
  • the center bypass cut valves 40a and 40b may be operated to open the system only in certain cases, such as when the load on the engine 20 rises sharply, such as when starting a construction machine. do.
  • the driver may transmit the driver's work instruction to the main control valves 30 and the regulators 12a and 12b in the form of a hydraulic signal or an electric signal by operating the lever 60 in the cockpit.
  • the flow rate of the electrohydraulic pumps 10a and 10b may be adjusted in response to the driver's work instruction, and the main control valve 30 may be driven to supply hydraulic oil to the above-mentioned working machines.
  • a current signal is provided for the electrohydraulic pumps 10a and 10b and a pressure signal (not shown) is provided for each main control valve 30.
  • the discharge flow rate control of the electrohydraulic pumps 10a and 10b is performed by outputting a work instruction from the lever 60 to the controller 50, and controlling the regulators 12a and 12b again.
  • the signal corresponding to the work instruction of the lever 60 is transmitted via the safety cutoff valve 62, and the driver's work instruction may be controlled to be transmitted or not transmitted depending on whether the safety cutoff valve 62 is operated. have.
  • the safety cutoff valve 62 may be operated by the driver by manual operation, by the driver by operating a separate switch (not shown), or controlled and operated by the controller 50 under specific conditions.
  • the electrohydraulic pumps 10a and 10b are connected to the diesel engine 20 to be driven by the output of the diesel engine.
  • the diesel engine 20 is controlled by, for example, an engine controller (ECU) 22 and exhausted to the outside along the exhaust path 24 generated during operation.
  • ECU engine controller
  • a diesel particulate filter (DPF) 70 and a diesel oxidation catalyst device (DOC) 72 provided at the front end thereof are disposed on the exhaust path 24, and fuel is injected into the diesel oxidation catalyst device 72.
  • a fuel injection means 74 can also be arranged.
  • a series of devices including these diesel particulate filter 70, diesel oxidation catalyst device 72, fuel injection means 74 and the like is referred to as 'after treatment means' or 'DPF regeneration means' for the exhaust gas.
  • the diesel fine dust filter 70 For example, by filtering the contaminants such as fine particles (PM) contained in the exhaust gas through the diesel fine dust filter 70, and burns the fine dust collected after the filtration through the exothermic reaction of the diesel oxidation catalyst device. Can be removed High temperature exhaust gas is required as the temperature condition for the exothermic reaction.
  • PM fine particles
  • the process of forced DPF regeneration is summarized as follows. For example, the following two conditions must be satisfied as a precondition for DPF forced regeneration.
  • the safety cutoff valve 62 must be driven to the OFF state in order to prevent the operation signal (eg, hydraulic signal) of the lever 60 in the cockpit from being transmitted to each main control valve 30.
  • the operation signal eg, hydraulic signal
  • an arbitrary load such as a non-working load
  • a control current supplied to the electromagnetic proportional control valves 12a and 12b so that the engine is overheated.
  • the lever 60 may be manipulated by a driver's mistake or an incorrect operation so that a corresponding work instruction (eg, a hydraulic signal) may be transmitted to each main control valve.
  • a corresponding work instruction eg, a hydraulic signal
  • the engine may be suddenly changed and the engine may be overwhelmed, and the work machine may be suddenly driven regardless of the driver's intention to cause a safety accident.
  • the safety cutoff valve 62 is always driven to the OFF state before the DPF forced regeneration to prevent the work instruction by the lever 60 from being transmitted to the system, and is driven to the ON state after the DPF forced regeneration, thereby driving the conventional lever. It is possible to enable the transfer of work instructions through 60.
  • the operation of the safety cutoff valve 62 may be performed by manual operation of the driver or automatic control of the controller 50. In this embodiment, the case where the safety cutoff valve 62 is operated by manual operation of a driver is demonstrated as an example. If the controller 50 receives a work signal corresponding to the driver's manipulation of the lever 60 as an electronic signal and the controller 50 controls the main control valve 30 in response thereto, the safety cutoff valve ( 62) may be omitted. In this case, when DPF forced regeneration is selected, it is preferable that the controller 50 controls the main control valves 30 so that the main control valve 30 is not operated.
  • the DPF forced regeneration of the present embodiment confirms the driving condition of the safety cutoff valve to OFF and the driver's DPF forced regeneration instruction as the starting conditions.
  • the DPF forced regeneration of this embodiment opens the center bypass cut valves 40a and 40b to switch the system to the open state, and then the electronic proportional control valve (EPPR) 12a and 12b.
  • the electrohydraulic pumps 10a and 10b discharge the hydraulic fluid at an appropriate flow rate.
  • the hydraulic oil discharged from the electrohydraulic pumps 10a and 10b is transferred to a work machine (e.g., each main control valve 30). Can be returned to the tank via the center bypass line.
  • a work machine e.g., each main control valve 30.
  • an arbitrary load for example, a non-work load
  • the diesel engine 20 is overheated while working under the load, thereby causing the diesel engine 20 to operate.
  • the temperature of the exhaust gas exhausted from the gas rises.
  • the ECU 22 includes a temperature sensor for measuring the temperature of the diesel engine 20 and the DPF 70 and the like, and a pressure sensor for measuring the pressure at the front and rear ends based on the DPF 70. And the like to receive measured values from these sensors. Based on the received measurement, the ECU 22 can perform appropriate control.
  • the temperature of the DPF 70 it is possible to determine whether the temperature required for forced regeneration of the DPF has been reached, or by measuring the pressure in front and rear of the DPF 70, which is applied to the DPF 70. The magnitude of the back pressure can be determined.
  • the measured values may be transmitted to the controller 50 to be used as a criterion of determination when the controller 50 outputs a control signal.
  • an end condition of forced regeneration of DPF may be set.
  • the DPF forced regeneration may be terminated when the driver intentionally operates the forced regeneration switch S to give an end instruction or receives a signal indicating that the regeneration is completed in the engine 22 of the engine.
  • the ECU 22 receives a signal indicating that the regeneration is completed.
  • the center bypass cut valves 40a and 40b are driven to switch the system to the closed state, and the control current for the electromagnetic proportional control valves (EPPR) 20a and 20b is returned to the normal value.
  • EPPR electromagnetic proportional control valves
  • the reception of the regeneration completion signal by the ECU may be an automatic termination condition of the DPF forced regeneration
  • the termination instruction by the driver's operation may be a passive termination condition of the DPF forced regeneration.
  • the safety cutoff valve 62 is finally driven to the ON state, so that the operation signal of the lever 60 by the driver can be normally transmitted to, for example, each main control valve 30. That is, it is reduced to the system before the DPF forced regeneration.
  • the DPF forced regeneration drives the center bypass cut valve to switch the system to an open type and adjusts the swash plate angle in the electrohydraulic pump. It can be carried out by applying an arbitrary control current to the electromagnetic proportional control valve EPPR, which is a regulator for adjustment, to cause the electrohydraulic pump to discharge a predetermined flow rate of working oil under an open system. That is, by opening the center bypass line 80, the electro-hydraulic pump discharges the working oil to generate a non-work load that does not drive the work machine. The load causes the diesel engine to overheat and discharge the high-temperature exhaust gas.
  • EPPR electromagnetic proportional control valve
  • the high temperature exhaust gas causes an exothermic reaction between the diesel oxidation catalyst (DOC) and the fuel fed thereto, so that fine dust trapped in the DPF at a higher temperature generated by the exothermic reaction (Soot) ) And the like can be burned, so that the DPF forced regeneration can be performed.
  • DOC diesel oxidation catalyst
  • Soot exothermic reaction
  • FIG. 3 is a flowchart illustrating an exemplary procedure in which the system of FIG. 2 operates
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating an example of control logic for generating a non-workload.
  • the DPF forced regeneration method starts at the step (step S110) of receiving a DPF forced regeneration instruction by the driver by operating the DPF forced regeneration switch S to ON.
  • step S120 a step of checking whether the safety cutoff valve is operated to be in an OFF state is performed (step S120). As described above, this corresponds to a procedure for checking whether a start condition for performing DPF forced regeneration is met. If the safety cutoff valve 62 is automatically turned off at the same time as the DPF forced regeneration selection by the control of the controller 50, step S120 can be omitted. In addition, if the safety cut-off valve 62 is omitted, and the controller 50 receives the work order applied from the lever 60 to control the main control valve 30, the DPF forced regeneration is Even if a work signal is generated by the driver's lever 60 misoperation when proceeding, step S120 may be omitted by the controller 50 ignoring this and not driving the main control valve 30.
  • the safety cutoff valve is ON and not OFF, the procedure ends.
  • whether or not the safety cutoff valve is operated is to prevent sudden damage of the engine due to a driver's mistake or misoperation in performing forced regeneration of the DPF. It is preferably carried out under conditions driven in the state.
  • step S130 the procedure proceeds to the step in which the electrohydraulic pump generates a non-work load (step S130).
  • the center bypass cut valve is driven to the open state (step S132) so that the system of the present invention can be switched from the normal closed state to the open state, and then the electronic proportional control valve (EPPR) in the open system state.
  • EPPR adjusts the swash plate angle of the corresponding electrohydraulic pump so that the hydraulic fluid of an arbitrary flow rate can be discharged from the electrohydraulic pump (step S134).
  • This hydraulic fluid is withdrawn to the tank through the open center bypass line 80, thereby bypassing the working machine and causing a non-work load in a state where the working machine is substantially not driven.
  • An example of details regarding the control current applied to the EPPR will be described later with reference to FIG. 4.
  • step S140 the diesel engine subjected to the non-work load is overheated (step S140), and the hot exhaust gas exhausted from the overheated diesel engine reaches a predetermined temperature.
  • the predetermined temperature is a temperature that can cause an exothermic reaction between the diesel oxidation catalyst device (DOC) through which the exhaust gas passes and the fuel injected therein. That is, when the exhaust gas heated to a predetermined temperature passes through the diesel oxidation catalyst device (DOC) and the fuel is injected into the DOC, an exothermic reaction occurs between the DOC and the injected fuel (step S150).
  • DOC diesel oxidation catalyst device
  • the exhaust gas is heated to a higher temperature.
  • the heated exhaust gas passes through the diesel particulate filter (DPF) at the rear end of the DOC, and burns and removes the soot trapped in the DPF. By doing so, forced regeneration of the DPF is performed (step S160).
  • DPF diesel particulate filter
  • the load (torque) of the electro-hydraulic pump should be generated in accordance with the required calorific value of the engine, that is, the calorific value of the engine required to raise the exhaust gas temperature to a predetermined temperature.
  • the center bypass cut valve is operated by driving the center bypass cut solenoid valve.
  • the solenoid valve may be in the form of keeping the center bypass cut valve normally closed and opening when driven (eg, NC; Normal Close).
  • any control current for example I mA, is applied to the current proportional control valve EPPR.
  • I means an initial value arbitrarily set.
  • step S1304 the swash plate angle of the electrohydraulic pump is maintained at an initial value (e.g., an angle corresponding to 0 volt measured value of each sensor) and the pressure in the electrohydraulic pump is maintained at P bar. have.
  • step S1306 the required horsepower (in terms of total efficiency) is calculated for the electrohydraulic pump as follows:
  • P1 and P2 refer to one of a pair of left and right electro-hydraulic pumps, respectively, and Power means horsepower required.
  • the torque required for the DPF forced regeneration and the ECU engine torque load ratio are each presented as predetermined reference values, and the "torque" and rpm values are set as reference values according to the required torque.
  • the reference value for the engine torque load ratio is presented at about 90%.
  • the engine torque load ratio may be a criterion for the engine to be stably driven by preventing the electromagnetic hydraulic pump from exceeding an arbitrary torque load ratio.
  • step S1314 the engine torque load factor is determined as Z% in the ECU of the diesel engine.
  • step S1308 it is determined whether the engine torque load factor Z% obtained in the ECU in step S1308 is equal to or less than a reference value (for example, 90%). If the engine torque load ratio (Z%) is less than or equal to the reference value (e.g., 90%), as exemplarily described in step S1310, the value of the control current applied to the electromagnetic proportional control valve EPPR is equal to (I mA). + a) Incremented by a mA to mA to increase the discharge flow rates of the electrohydraulic pumps 12a and 12b, and then the procedure proceeds to step S1304 where subsequent steps are repeated.
  • a reference value for example, 90%
  • step S1316 If the engine torque load factor (Z%) exceeds a reference value (eg 90%), EPPR based on the final control current value (eg (I + a) mA), as exemplarily described in step S1316.
  • a reference value eg 90%
  • EPPR based on the final control current value (eg (I + a) mA)
  • the electrohydraulic pumps 12a and 12b discharge the maximum flow rate within the range allowed by the engine torque load ratio, thereby achieving fuel economy improvement and time saving by quickly achieving the conditions for forced regeneration.
  • the EPPR drives the swash plate angle of the electrohydraulic pump based on any control current value determined through a predetermined procedure to discharge the hydraulic fluid of the corresponding flow rate, thereby corresponding non-work load can be generated.
  • the present invention provides a system and method for performing DPF forced regeneration in the case of a construction machine including an electro-hydraulic pump. For example, when the driver instructs the start of the DPF forced regeneration, by performing a step of checking whether the safety cutoff valve is driven in the OFF state as a start condition of the DPF forced regeneration, the present invention provides the driver during DPF forced regeneration. It is possible to prevent the operation of the work machine due to the mistake or misoperation in advance, thereby preventing the engine during the DPF regeneration from being damaged by the operation of the work machine.
  • the step of driving the center bypass cut valve to open the center bypass line in order to switch the system to the open type can be generated by operating the electrohydraulic pump to discharge the hydraulic fluid of a predetermined flow rate.
  • a regulator such as an electromagnetic proportional control valve (EPPR) is connected to the electromagnetic hydraulic pump, and by applying a control current of a predetermined value to the EPPR, the swash plate angle in the electromagnetic hydraulic pump can be adjusted to adjust the discharge flow rate.
  • EPPR electromagnetic proportional control valve
  • the diesel engine is overheated by the generated non-work load, the temperature of the exhaust gas is raised to a predetermined temperature required for the exothermic reaction (catalytic reaction) between the DOC and the fuel due to the overheating of the engine, and the exothermic reaction causes a higher temperature.
  • Forced regeneration of the DPF can be performed by exhausting the exhaust gas heated to a temperature by burning and removing fine soot or the like trapped in the DPF.
  • DPF forced regeneration in the construction machine equipped with the hydraulic system including the electro-hydraulic pump can be easily carried out through a preferred procedure.
  • the amount of fuel consumed for the DPF forced regeneration (for example, the sum of the fuel used to drive the diesel engine and the fuel introduced into the DOC) can be substantially reduced to reduce the cost.
  • a safety device such as a safety cutoff valve, it is possible to prevent damage to an engine or the like that may occur during forced regeneration of the DPF.
  • the high-temperature exhaust gas may exothermic reaction with the DOC to burn the fine dust collected in the DPF.

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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 전자유압펌프를 포함하는 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
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.
최근에는 연비 및 작업효율 향상을 위해 도 1에 도시된 바와 같이, 밀폐형 구조의 유압회로를 갖는 건설기계의 개발이 활발하게 진행되고 있다. 예컨데, 이러한 밀폐형 구조의 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 엔진; 제어기의 전류 제어에 의해 토출유량이 조절되며, 상기 디젤 엔진에 의해 구동되는 전자유압펌프; 상기 전자유압펌프에서 토출되는 작동유에 의해 구동되는 다수의 작업기; 상기 다수의 작업기가 비구동시 상기 전자유압펌프에서 토출되는 작동유가 탱크로 귀환되도록, 일단이 상기 전자유압펌프에 연결되고, 타단이 탱크에 연결되는 센터바이패스라인; 상기 센터바이패스라인과 상기 탱크의 연결을 선택적으로 차단하는 센터바이패스 컷 밸브; 상기 디젤 엔진에서 나온 배기가스로부터 오염물질을 여과하는 디젤미세먼지필터(DPF); 및 소정 온도에서 연료와 발열 반응을 일으키는 디젤산화촉매장치(DOC)를 포함하는 DPF 재생 수단;을 포함하며 상기 제어기는, 상기 DPF의 강제 재생시 상기 센터바이패스 컷 밸브가 구동되어 상기 센터바이패스라인이 탱그와 연결된 상태에서 작업기의 구동없이 상기 전자유압펌프의 토출유량을 증가시켜 비작업 부하를 생성시키고, 상기 비작업 부하에 의해 상기 디젤 엔진의 발열량이 증가함으로써 상기 배기가스가 상기 소정 온도로 상승되게 것을 특징으로 하는 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템을 제공한다.
또한 본 발명에 있어서, 유압 시스템은 상기 작업기 각각의 구동을 지시하는 파일럿 압력을 전달하는 경로 상에 배치되고 작동시 상기 파일럿 압력의 전달을 차단하도록 구성되는 세이프티 컷오프 밸브를 더 포함하고, 이러한 세이프티 컷오프 밸브는, 상기 DPF 재생 시작시 작동되어 상기 파일럿 압력의 전달을 차단하고, 상기 상기 DPF 재생이 완료된 후에 작동 해제되어 상기 파일럿 압력의 전달을 가능하게 하는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 있어서, 전자유압펌프는 전자비례제어밸브(EPPR)를 통해 수신된 제어 전류에 기초하여 토출유량이 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, 상기 DPF 강제 재생 시스템은 운전자의 작업지시 전달에 대응하여 구동됨으로써 각 작업기를 구동시키는 메인제어밸브를 포함하며, 상기 b) 단계는 상기 메인제어밸브로 전달되는 상기 작업지시가 차단된 상태에 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.
<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>
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: 레버
62: 세이프티 컷오프 밸브
70: 디젤미세먼지필터(DPF)
72: 디젤산화촉매장치(DOC)
74: 연료 투입 수단
80 : 센터바이패스라인
S : 강제 재생 스위치
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 센터바이패스라인(80) 및 다수의 병렬라인(도 2에 도시되지 않음)에 의해 다수의 메인제어밸브(MCV)(30)로 공급되고, 이러한 다수의 메인제어밸브(30)들에 공급된 작동유는 각 메인제어밸브(30)에 의해 그 흐름이 제어되어 각 메인제어밸브(30)에 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 구동된다. 센터바이패스라인(80)은 일단이 전자유압펌프(10a, 10b)의 토출부와 연결되고, 타단은 메인제어밸브(30)들을 경유한 후 탱크와 연결된다. 이에 따라 개개의 작업기가 비구동시 전자유압펌프(10a, 10b)에서 토출되는 작동유가 탱크로 귀환된다. 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)는 센터바이패스라인(80)의 타단의 끝부분에 설치된다. 일반적으로 본 발명의 실시예에서의 유압 시스템은 센터바이패스라인(80)을 폐쇄시키는 상태, 즉 밀폐형 시스템으로 구동된다. 따라서, 이러한 시스템에서 전자유압펌프(10a, 10b)는 각 작업기에서 요구하는 양의 작동유만을 토출하도록 제어된다.
한편, 이러한 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)는 일반적으로 특정한 경우에만 작동되어 시스템을 개방한다. 예컨대, 건설기계에 시동을 걸 때와 같이 엔진(20)의 부하가 급격하게 상승디어 문제가 발생될 경우와 같이 특정한 경우에만, 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)가 작동되어 시스템을 개방하게 된다.
덧붙여, 운전자는 조종석 내 레버(60)를 조작함으로써 운전자의 작업 지시를 메인제어밸브(30)들과 조정기(12a, 12b)로 유압신호 또는 전기신호의 형태로 전달할 수 있다. 이러한 운전자의 작업지시에 대응하여 전자유압펌프(10a, 10b)의 유량이 조절될 수 있고, 메인제어밸브(30)가 구동되어 상술한 작업기들로 작동유가 공급될 수 있다. 본 실시예의 경우 전자유압펌프(10a, 10b)에 대해서는 전류 신호를 그리고 각 메인제어밸브(30)에 대해서는 압력 신호(도시되지 않음)를 제공한다. 본 실시예에서 전자유압펌프(10a, 10b)의 토출 유량제어는 레버(60)로부터 제어기(50)에 작업지시가 출력되고, 제어기(50)가 다시 조정기(12a, 12b)를 제어함으로써 이루어진다. 한편, 레버(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. 세이프티 컷오프 밸브(62)는 운전자가 수동조작으로 동작하거나, 운전자가 별도의 스위치(도면에 미도시)를 조작하거나, 또는 특정 조건에서 제어기(50)에 의해 제어되어 동작할 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 레버(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 스위치(S)로 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 유지된다. 이 상태에서 운전자의 실수나 오조작을 통해 레(60)버가 조작되어 해당 작업 지시(예컨대, 유압 신호)가 각 메인제어밸브 등으로 전달될 수 있다. 이러한 경우에는, 엔진에 급작스러운 변화를 주게 되어 엔진에 무리가 갈 수 있고, 작업기가 운전자의 의도와 무관하게 갑자기 구동되어 안전사고를 유발할 수 있다. 따라서, 세이프티 컷오프 밸브(62)는 반드시 DPF 강제 재생 이전에 OFF 상태로 구동되어 레버(60)에 의한 작업 지시가 시스템으로 전달되는 것을 방지하고, DPF 강제 재생 이후에 ON 상태로 구동되어 통상적인 레버(60)를 통한 작업 지시의 전달이 가능하게 되도록 할 수 있다. 이러한 세이프티 컷오프 밸브(62)의 작동은 운전자의 메뉴얼 조작 또는 제어기(50)의 자동 제어에 의해 이루어질 수 있다. 본 실시예에서, 운전자의 메뉴얼 조작에 의해 세이프티 컷오프 밸브(62)를 동작시키는 경우를 일례로 설명한다. 만약, 운전자의 레버(60) 조작에 대응되는 작업신호를 전자 신호로 제어기(50)가 수신하고, 제어기(50)가 이에 대응하여 메인제어밸브(30)를 제어하는 경우라면, 세이프티 컷오프 밸브(62)가 생략될 수 있다. 이 경우에는 DPF 강제 재생이 선택되었을 때, 제어기(50)가 메인제어밸브(30)가 동작되지 않도록 메인제어밸브(30)들을 제어하는 것이 바람직하다.
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 강제 재생 스위치(S)를 조작하여 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 레버(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, 센터바이패스라인(80)을 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 스위치(S)가 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. 만약, 세이프티 컷오프 밸브(62)가 제어기(50)의 제어에 의해 DPF 강제 재생 선택과 동시에 자동으로 OFF되는 경우라면, 단계 S120은 생략될 수 있다. 아울러, 세이프티 컷오프 밸브(62)가 생략되고, 레버(60)로부터 인가된 작업지시를 제어기(50)가 수신하여 각 메인제어밸브(30)를 제어하는 전자식 유압 시스템인 경우라면, DPF 강제 재생이 진행될 때 운전자의 레버(60) 오조작에 의해 작업신호가 발생되더라도 제어기(50)가 이를 무시하여 메인제어밸브(30)를 구동시키지 않음으로써 단계 S120은 생략될 수 있다.
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 센터바이패스라인(80)을 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 증분되어 전자유압펌프(12a, 12b)의 토출유량을 증대시키고, 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. 여기서 전자유압펌프(12a, 12b)는 엔진 토크 부하율이 허용하는 범위에서 최대 유량을 토출하여, 강제 재생을 위한 조건을 빨리 달성시킴으로써 연비향상 및 시간절약을 도모하는 것이 바람직하다.
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.
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.

Claims (5)

  1. 디젤 엔진(20);
    제어기(50)의 전류 제어에 의해 토출유량이 조절되며, 상기 디젤 엔진(20)에 의해 구동되는 전자유압펌프(10a, 10b);
    상기 전자유압펌프(10a, 10b)에서 토출되는 작동유에 의해 구동되는 다수의 작업기;
    상기 다수의 작업기가 비구동시 상기 전자유압펌프(10a, 10b)에서 토출되는 작동유가 탱크로 귀환되도록, 일단이 상기 전자유압펌프(10a, 10b)에 연결되고, 타단이 탱크에 연결되는 센터바이패스라인(80);
    상기 센터바이패스라인(80)과 상기 탱크의 연결을 선택적으로 차단하는 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b);
    상기 디젤 엔진(20)에서 나온 배기가스로부터 오염물질을 여과하는 디젤미세먼지필터(DPF); 및
    소정 온도에서 연료와 발열 반응을 일으키는 디젤산화촉매장치(DOC)(72)를 포함하는 DPF 재생 수단;을 포함하며
    상기 제어기(50)는, DPF의 강제 재생시 상기 센터바이패스 컷 밸브(40a, 40b)가 구동되어 상기 센터바이패스라인(80)이 탱그와 연결된 상태에서 작업기의 구동없이 상기 전자유압펌프(10a, 10b)의 토출유량을 증가시켜 비작업 부하를 생성시키고, 상기 비작업 부하에 의해 상기 디젤 엔진(20)의 발열량이 증가함으로써 상기 배기가스가 상기 소정 온도로 상승되게 하는 것을 특징으로 하는 전자유압펌프를 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, DPF 재생 시작시 작동되어 상기 파일럿 압력의 전달을 차단하고, DPF 재생이 완료된 후에 작동 해제되어 상기 파일럿 압력의 전달을 가능하게 하는 것을 특징으로 하는 전자유압펌프를 포함하는 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 토출유량이 제어되는 것을 특징으로 하는 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제3항 중 어느 한 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 운전자의 작업지시 전달에 대응하여 구동됨으로써 각 작업기를 구동시키는 메인제어밸브를 포함하며,
    상기 b) 단계는 상기 메인제어밸브로 전달되는 상기 작업지시가 차단된 상태에 있는 경우에 한해 수행되는 것을 특징으로 하는 전자유압펌프를 포함하는 건설기계의 DPF 강제 재생 방법.
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