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KR101097606B1 - 디젤 매연여과장치의 제어방법 - Google Patents

디젤 매연여과장치의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디젤 매연여과장치의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 필터에 대한 재생이 이루어지도록 필터 내에 축적된 매연이 연소될 수 있는 1차 목표온도로 배기가스를 승온시키는 1차 승온단계; 및 상기 1차 승온단계에서 1차 목표 온도로 승온시 오버슈팅(overshooting)의 발생을 방지하도록 일정 시간 범위 동안 승온 속도를 지연시키는 승온 완화단계;를 포함하는 디젤 매연여과장치의 제어방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 매연여과장치(DPF)의 다단 재생 과정에서 최초 목표온도까지 승온시 오버슈팅(overshooting)을 없앨 수 있어 필터의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
매연여과장치, 필터, 재생

Description

디젤 매연여과장치의 제어방법{Method For Emission Controlling Of Diesel Particulate Filter}
본 발명은 디젤 매연여과장치의 제어방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 디젤 차량에서 배기가스를 정화시키는 매연여과장치(DPF)의 다단 재생 과정에서 최초 목표온도까지 승온시 오버슈팅(overshooting)을 방지할 수 있는 매연여과장치의 재생 방법에 관한 것이다.
일반적으로 배기가스는 자동차의 엔진으로부터 연소된 혼합기가 배기관을 통하여 대기중으로 방출되는 가스를 말한다. 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다.
디젤엔진 차량은 연비, 출력면에서 우수함에도 불구하고 가솔린 엔진과는 달리 배기가스 내에 NOx과 입자상물질(PM, Particulate Matter, 이하 'PM')이 상당히 많이 함유되어 있다.
즉, 디젤 차량은 대부분의 운전 상태에서는 공기가 충분한 조건으로 연소되기 때문에 CO와 HC는 가솔린 차량에 비하여 배출정도가 낮으나 NOx와 PM의 배출정도는 매우 높게 나타난다. 이 가운데 PM은 대체로 고상의 탄소입자인 매연(Soot), 가용유기성분(Soluble Organic Fraction, SOF), 황산염(Sulfate, H2SO4) 등으로 구성된다.
디젤 차량의 배출가스 저감기술은 NOx와, 매연을 포함한 PM(이하, '매연')의 저감에 대해 중점적으로 이루어지고 있다. 매연을 포집하여 제거하기 위하여 배기라인에 매연여과장치(DPF, Diesel Particulate Filter)가 설치된다.
상기 매연여과장치는 내고온성 필터(filter)에 엔진으로부터 배출되는 배기가스를 통과시켜 필터의 다공성의 벽 표면에 매연이 포집되도록 하여 배기가스를 정화시킨다. 상기 매연여과장치는 필터의 재생과정을 통해 필터를 교환하지 않고 반복 사용할 수 있다.
필터의 재생과정은 연료후분사를 통한 배기가스의 온도를 상승시켜 매연여과장치의 내부를 발화온도 이상으로 승온시키고, 도달된 목표온도에서 필터내에 축적된 매연을 연소시키는 것으로 이루어진다.
한편, 근래에는 필터의 매연포집한계량을 증대시키 위해 다단 재생과정이 이용되기도 한다.
도 1은 종래 디젤 매연여과장치에서 다단 재생 단계에 의한 재생 방법을 도시한 도표이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 다단 재생과정은 DPF에 포집된 매연이 배기가스 중의 산소와 반응하여 연소될 수 있는 최소한의 온도인 1차 목표온도(550 내지 580 ℃)까지 연료후분사를 통해 배기가스 온도를 승온시키고(① 영역) 필터 내 에 축적된 매연의 일부를 1차 목표 온도를 유지하면서 연소시킨 후(② 영역), 나머지 매연을 2차 목표온도인 600 내지 650 ℃ 로 승온시켜 완전히 연소시키는(③ 영역) 단계로 이루어진다.
그런데 다단 재생 방법 중 1차 목표온도(550 내지 580 ℃)로 승온시키는 과정은 짧은 시간 동안 급격하게 승온이 이루어지기 때문에 도 1에 점선으로 도시된 바와 같이 1차 목표온도에 도달시 오버슈팅(overshooting)이 발생할 수 있다.
이와 같이 오버슈팅이 발생하면 필터의 파손을 가져와 결국은 다단 재생 단계에서 목적하고자 하는 필터의 매연포집한계량을 증대시키지 못하는 결과를 야기한다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 매연여과장치(DPF)의 다단 재생 과정에서 최초 목표온도까지 승온시 오버슈팅(overshooting)을 방지하여 필터의 매연포집한계량을 증대시킬 수 있는 디젤 매연여과장치의 재생 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 필터에 대한 재생이 이루어지도록 필터 내에 축적된 매연이 연소될 수 있는 최소한의 목표온도로 배기가스를 승온시키는 1차 승온단계; 및 상기 1차 승온단계에서 1차 목표 온도로 승온시 오버슈팅(overshooting)의 발생을 방지하도록 일정 시간 범위 동안 승온 속도를 지연시키는 승온 완화단계;를 포함하는 디젤 매연여과장치의 제어방법을 제공한다.
상기 승온 완화단계는 상기 1차 목표온도 미만의 구간에서 연료후분사량을 일정하게 유지시킴으로써 온도를 일정시간 균일하게 유지시키는 것이 바람직하다.
상기 승온 완화단계는 온도센서에 의한 PID 제어로 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명은 필터에 대한 재생이 이루어지도록 설정된 1차 목표온도로 배기가스를 승온시키는 1차 승온단계; 상기 1차 승온단계의 설정온도로 일정하게 유지되어 재생이 이루어지는 온도유지단계; 상기 온도유지단계 후 필터에 남은 매연을 완전히 연소시키도록 설정된 2차 목표온도로 승온이 이루어지는 2차 승온단계; 및 상기 1차 승온단계에서 승온시 오버슈팅(overshooting)의 발생을 방지하도록 일정 시간 범위 동안 승온을 지연시키는 승온 완화단계;를 포함하는 디젤 매연여과장치의 제어방법을 제공한다.
상기 승온 완화단계는 상기 1차 목표온도 미만의 구간에서 연료후분사량을 일정하게 유지시킴으로써 온도를 일정시간 균일하게 유지시키는 것이 바람직하다.
상기 승온 완화단계는 온도센서에 의한 PID 제어로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면 매연여과장치(DPF)의 다단 재생 과정에서 최초 목표온도로 승온시 오버슈팅(overshooting)을 방지하여 매연포집한계량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연여과장치의 다단 재생 방법의 흐름도이고, 도 3은 도 2의 다단 재생 단계에 의한 재생 방법을 도시한 도표이다.
본 발명의 디젤 매연여과장치의 제어방법은 디젤 매연여과장치에 필터에 대한 재생 방법 중 기본 재생 또는 다단 재생의 방법에 모두 적용될 수 있으나 본 실시예에서는 다단 재생 단계에 적용되는 것을 위주로 설명한다.
여기서 기본 재생방법은 통상적인 재생방법으로 목표온도까지 승온하는 과정과, 승온된 온도를 유지하는 과정으로 이루어지며 목표온도로 필터에 축적된 매연을 연소시켜 재생을 수행하는 방식을 의미한다.
즉, 기본 재생단계는 매연여과장치의 입구 온도가 1차 목표온도(620 내지 650 ℃)가 될 때까지 연료후분사를 통해 배기가스 온도를 점점 상승시키고 승온된 목표온로 온도를 꾸준하게 유지시켜 매연을 완전히 연소시켜 재생을 수행한다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의 다단 재생단계는 배기가스를 1차 목표온도로 승온시키는 1차 승온단계(S10)와, 1차 승온단계(S10)의 오버슈팅을 방지하는 승온 완화단계(S15)와, 1차 승온단계(S10)의 목표온도로 일정하게 온도가 유지되는 온도 유지단계(S20)와, 2차 목표온도로 승온되어 최종 온도가 유지되는 2차 승온단계(S30)를 포함하여 이루어진다.
상기 1차 승온단계(S10)는 매연이 산소와 반응하여 연소될 수 있는 최소한의 온도인 1차 목표온도(550 내지 580 ℃)까지 승온되도록 연료후분사를 통해 배기가 스 온도를 상승시켜 필터 내에 축적된 매연의 일부를 연소시키도록 하는 단계이다.
종래 1차 승온단계(S10)에서는 비교적 짧은 시간에 1차 목표온도까지 승온하도록 제어되었기 때문에 오버슈팅 현상이 발생하여 필터의 파손이 발생하는 문제가 있음은 전술한 바 있다.
이러한 점을 개선하고자 본 발명은 1차 승온단계(S10)가 3개의 영역(①-1, ①-2, ①-3)으로 세분화된 형태를 갖는다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 1차 승온단계(S10)는 520 내지 550℃ 까지 승온이 이루어지는 제1영역(①-1)과, 일정시간 동안 520 내지 550℃ 영역을 유지하도록 마련된 제2영역(①-2, 승온 완화단계, S15, L)과, 승온 완화단계(S15) 이후에 1차 목표온도(550 내지 580 ℃)까지 점차적으로 승온이 이루어지는 제3영역(①-3)를 포함한다.
상기 승온 완화단계(S15)는 1차 목표온도 미만의 구간에서 연료후분사량을 일정하게 유지시킴으로써 특정 온도(520 내지 550℃)를 일정시간 균일하게 유지시키게 된다. 따라서, 승온 완화단계(S15)는 일정 시간 범위 동안 1차 승온단계(S10)의 승온 속도를 지연시킴으로써 오버슈팅을 방지한다.
특기할 만한 점은 재생이 시작되는 매연여과장치의 입구 온도가 1℃ 차이가 날 때 필터 내부의 온도는 약 3℃가 증가된다고 알려져 있다. 그러므로 승온시 오버슈팅의 범위가 클수록 필터의 내부온도는 약 3배 증가를 보이고, 필터의 한계 온도 이상을 나타내어 필터의 파손을 가져올 수 있다.
그러나 본 발명은 승온 완화단계(S15)가 1차 목표온도 미만의 구간에 마련되므로 설령 오버슈팅이 발생하더라도 그 오버슈팅의 정도가 미약하며 1차 목표온도 이상까지 넘지 않게 되므로 특기할 만한 점처럼 필터의 내부온도가 급격하게 증가되어 필터가 파손되지 않게 된다.
승온 완화단계(S15)는 디젤 매연여과장치의 입구 영역에 마련된 온도센서에 의한 PID 제어로 이루어질 수 있다. 온도센서에 의한 PID 제어가 가능함으로 일정시간이 지나면 발생된 오버슈팅은 목표온도를 따라가게 된다.
즉, 1차 목표온도를 향해 승온되는 과정 중에 미리 설정된 온도범위(520 내지 550℃)에 이르는지를 온도센서가 센싱하여 그 영역에 도달하면 승온 완화단계(S15)가 진행되고, 오버슈팅이 발생하면 승온 완화단계(S15)의 온도를 따라가도록 제어된다. 그리고 일정시간이 경과하면 연료후분사량을 조금씩 미세하게 높여 1차 목표온도까지 승온시킨다.
상기 1차 승온단계(S10)가 수행되어 1차 목표 온도로 배기가스가 승온되면, 오버슈팅없이 1차 승온단계(S10)의 목표온도로 일정하게 유지되어 매연에 대한 재생이 이루어지는 온도 유지단계(S20)가 수행된다.
상기 온도 유지단계(S20)에서는 최소한의 온도에서 일정량의 매연을 연소시키기 때문에 비교적 낮은 온도로 필터에 대한 재생을 수행할 수 있어 필터의 수명을 연장시키게 된다.
이어서 상기 온도 유지단계(S20) 후에는 필터에 남아 있는 매연을 완전히 연소시키도록 설정된 2차 목표온도(600~650 ℃)로 승온되어(③ 영역), 2차 목표온도가 일정 시간 유지되어 나머지 매연이 연소되는 2차 승온단계(S30)가 수행된다. 매연에 대한 연소가 끝나면 재생이 완료된다.
이와 같이 본 발명에 의하면 매연여과장치(DPF)의 다단 재생 과정에서 최초 목표온도까지 승온시 오버슈팅(overshooting)을 ③실질적으로 없앨 수 있기 때문에 필터의 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 종래 디젤 매연여과장치에서 다단 재생 단계에 의한 재생 방법을 도시한 도표.
도 2는 본 발명의 디젤 매연여과장치의 다단 재생 방법의 흐름도.
도 3은 도 2의 다단 재생 단계에 의한 재생 방법을 도시한 도표.
<도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명>
S10 : 1차 승온단계 S20 : 승온 완화단계
S30 : 2차 승온단계 L : 승온 완화구간

Claims (6)

  1. 필터에 대한 재생이 이루어지도록 필터 내에 축적된 매연이 연소될 수 있는 1차 목표온도로 배기가스를 승온시키는 1차 승온단계; 및
    상기 1차 승온단계에서 1차 목표 온도로 승온시 오버슈팅(overshooting)의 발생을 방지하도록 일정 시간 범위 동안 승온 속도를 지연시키는 승온 완화단계;
    를 포함하며,
    상기 승온 완화단계는 상기 1차 목표온도 미만의 구간에서 연료후분사량을 일정하게 유지시킴으로써 온도를 일정시간 균일하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 승온 완화단계는 온도센서에 의한 PID 제어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
  4. 필터에 대한 재생이 이루어지도록 매연이 연소될 수 있는 최소한의 온도인 1차 목표온도로 배기가스를 승온시키는 1차 승온단계;
    상기 1차 승온단계의 목표온도로 일정하게 유지되어 재생이 이루어지는 1차 온도유지단계;
    상기 온도유지단계 후 필터에 남은 매연을 완전히 연소시키도록 설정된 2차 목표온도로 승온이 이루어지는 2차 승온단계; 및
    상기 1차 승온단계에서 승온시 오버슈팅(overshooting)의 발생을 방지하도록 일정 시간 범위 동안 승온을 지연시키는 승온 완화단계;
    를 포함하며,
    상기 승온 완화단계는 상기 1차 목표온도 미만의 구간에서 연료후분사량을 일정하게 유지시킴으로써 온도를 일정시간 균일하게 유지시키는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 승온 완화단계는 온도센서에 의한 PID 제어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
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