KR20110012338A

KR20110012338A - 디젤 매연여과장치의 제어방법

Info

Publication number: KR20110012338A
Application number: KR1020090070022A
Authority: KR
Inventors: 권충일
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2009-07-30
Filing date: 2009-07-30
Publication date: 2011-02-09

Abstract

본 발명은 디젤 매연여과장치의 제어방법에 관한 것이다.

본 발명은 엔진의 배기가스를 정화하는 매연여과장치 내부에 축적된 매연량을 추정하여 필터의 재생 과정을 수행할 것인지 여부를 판단하는 매연량 추정단계; 및 추정된 매연량에 따라 기본 재생 또는 다단 재생의 재생 제어로직을 결정하는 재생로직 판단 단계;를 포함하는 디젤 매연여과장치의 제어방법을 제공한다.

본 발명에 의하면, 필터의 재질과 설치된 위치가 변화하더라도 매연여과장치에 축적된 매연을 효율적으로 제거하여 필터의 재생 효율을 높일 수 있으며 필터의 수명을 보장할 수 있다.

매연 여과 장치

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) 내에 축적된 매연(soot)을 효율적으로 제거하여 매연여과장치의 재생 효율을 높일 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 있는데, 필터의 재생과정은 매연여과장치의 내부를 발화온도 이상으로 승온시켜 매연을 태워버림으로써 이루어진다.

매연여과장치의 여과효율을 높이기 위해서는 결국 포집된 매연을 가능하면 빠른 시간 내에 연소시킬 수 있어야 하며 이는 필터의 재생 효율을 높이는 문제로 귀속된다.

매연여과장치에 사용되는 필터는 대부분 실리콘 카바이드(silicon carbide, SiC)가 사용되었으나 최근에는 가격이 저렴하고 무게가 가벼운 코디어라이트(cordierite) 재질이 사용된다.

그런데 코디어라이트 필터는 실리콘 카바이드 필터에 비해 상대적으로 고온에 노출시 손상이 가기 쉽다. 즉, 코디어라이트 재질은 내구성이 다소 약하기 때문에 반복적인 재생과정을 거치는 동안 필터가 과열되어 파손되는 문제가 있다.

한편, 배기가스 규제가 점차 심해지면서, 많은 차종들이 매연여과장치를 차체 플로어 하측에 위치되는 UCC(Underbody Caltalytic Converter)에서 배기 매니폴드에 가깝게 위치하도록 하는 CCC(Close-Coupled Caltalytic Converter)로 전환하고 있다. 그러나 매연여과장치의 설치 위치가 CCC로 변화함에 따라 차량의 레이아웃 상의 한계로 매연여과장치의 필터 체적은 오히려 작아질 수 밖에 없다.

따라서, 체적이 작아진 필터는 정화효율을 높이기 위해서 필터 내에 축적된 매연을 자주 연소시켜야 하므로 오히려 잦은 재생주기에 따른 연비 손실, 필터의 수명 저하 등의 문제가 있다.

따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 필터의 재질과 설치된 위치가 변화하더라도 매연여과장치에 축적된 매연을 효율적으로 제거하여 필터의 재생 효율을 높일 수 있으며 필터의 수명을 보장할 수 있는 디젤 매연여과장치의 제어 방법을 제공하는 것이다.

상기 재생 제어로직은 목표 온도로 바로 승온하여 필터의 재생이 수행되는 기본 재생 제어로직; 및 매연포집한계량을 증가시키기 위해 단계적 목표온도로 승온하여 필터의 재생이 수행되는 다단 재생 제어로직;을 포함할 수 있다.

상기 재생로직 판단 단계는 상기 매연량 추정단계에서 추정된 매연량과 비교 대상이 되는 기준매연량을 제1레벨 및 제2레벨로 미리 구분하고, 상기 추정된 매연량이 제1레벨이면 기본 재생 제어로직을, 상기 추정된 매연량이 제2레벨이면 다단 재생 제어로직을 수행하도록 하는 것일 수 있다.

상기 제1레벨량은 기본 재생 제어로직 수행시 필터의 매연포집한계량으로 설정되고, 상기 제2레벨량은 다단 재생 제어로직 수행시 필터의 매연포집한계량으로 설정될 수 있다.

상기 필터가 코디어라이트 재질이면 상기 제1레벨량은 상기 제2레벨량의 75% 이하가 되는 것일 수 있다.

상기 기본 재생 제어로직 및 다단 재생 제어로직 수행 이후에는 매연의 연소가 완료되었는지를 판단하는 재생 완료 단계가 수행될 수 있다.

또한, 본 발명은 엔진의 배기가스를 정화하는 매연여과장치 내부에 축적된 매연량을 추정하여 필터의 재생 과정을 수행할 것인지 여부를 판단하는 매연량 추정단계; 상기 추정된 매연량이 제1레벨 또는 제2레벨인지를 판별하여 재생 제어로직을 선택적으로 판단하는 재생로직 판단 단계; 를 포함하며, 상기 매연량 추정단계에서 추정된 매연량이 제1레벨에 미치지 아니하면 포집을 계속 수행하고, 상기 재생로직 판단 단계의 결과값이 제1레벨이면 기본 재생 제어로직이 수행되고 제2레벨이면 다단 재생 제어로직이 수행되는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법을 제공한다.

상기 기본 재생 제어로직 및 다단 재생 제어로직 이후에는 매연의 연소가 완료되었는지를 판단하는 재생 완료 단계가 수행될 수 있다.

본 발명의 디젤 매연여과장치의 제어 방법에 의하면 매연량이 적정하게 축적될 때마다 알맞은 방법의 재생단계를 수행할 수 있으므로 필터의 재질과 설치된 위치가 변화하더라도 매연여과장치에 축적된 매연을 효율적으로 제거하여 필터의 재생 효율을 높일 수 있으며 필터의 수명을 보장할 수 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 1은 본 발명의 디젤 매연여과장치의 제어 방법에 대한 흐름도이고, 도 2는 기본 재생 제어로직에 의한 재생 방법을 도시한 도표이며, 도 3은 다단 재생 제어로직에 의한 재생 방법을 도시한 도표이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤 매연여과장치의 제어방법은 차량이 정상 운전된 상태에서 매연여과장치 내부에 축적된 매연량을 추정하는 매연량 추정단계(S10)를 먼저 수행한다.

상기 매연량 추정단계(10)는 차압센서 등의 결과값을 측정하여 매연여과장치 내부에 포집된 매연포집량(Soot mass)을 추정하고, 추정된 매연량을 통해 필터의 재생 과정을 수행할 것인지 여부를 판단한다. 즉, 매연량 추정단계(10)를 통해 추정된 매연량이 미리 설정된 기준매연량에 도달하면 재생을 수행하고, 기준매연량에 도달하지 못하면 포집을 계속하도록 제어된다.

상기 매연량 추정단계(10)가 이루어져 필터의 재생 과정을 수행할 필요가 있다고 판단되면 필터의 재생을 어떠한 재생 제어로직을 사용하여 수행할지를 판단하 는 재생로직 판단 단계(S20)가 수행된다.

상기 재생로직 판단 단계(S20)는 상기 매연량 추정단계(10)에서 추정된 매연량에 따라 필터의 재생을 기본 재생 제어로직(S40)으로 수행할지, 다단 재생 제어로직(S30)으로 수행할지 여부를 판단한다.

참고로, 상기 재생로직 판단 단계(S20)는 필터의 재생시점 판정의 기준을 아래와 같이 여러 가지 경우를 살펴서 판단할 수 있다.

1) 필터 내에 포집된 매연량이 미리 설정된 기준매연량에 도달했을 경우

2) 운전거리가 일정한 km에 도달했을 경우

3) 엔진의 운전 가동시간이 일정한 시간에 도달했을 경우

4) 연료소비량이 일정한 량에 도달했을 경우

이와 같이 4가지의 관점을 기준으로 재생시점은 판단될 수 있으며 본 실시예에서는 가장 일반적인 기준인 1)의 경우를 예시하여 설명하기로 한다.

즉, 상기 재생로직 판단 단계(S20)에서는 상기 매연량 추정단계(S10)에서 추정된 매연량과 비교 대상이 되는 기준매연량을 제1레벨, 제2레벨의 2가지 레벨로 구분하여 미리 설정할 수 있다.

상기 제1레벨의 기준이 되는 매연량은 최초 재생을 시작하기 알맞은 매연포집한계량을 의미하고, 상기 제2레벨의 기준이 되는 매연량은 차량이 정지하는 등 비정상적인 운행상태에서 매연량이 제1레벨량을 초과하였을 경우 필터의 매연포집한계량이 될 수 있다.

즉, 제1레벨은 필터의 재생을 기본 재생 제어로직을 사용해도 될 정도의 매 연량으로 설정할 수 있으며, 제2레벨을 필터의 재생을 다단 재생 제어로직으로 할 정도의 매연량을 의미할 수 있다.

여기서, 제1레벨 및 제2레벨의 기준량은 필터의 재질과 크기에 따라 다르게 설정되는 것이 바람직하다. 즉, 필터가 SiC 재질인지 또는 코디어라이트 재질인지에 따라 배기 용량(cc)에 따라 달라질 수 있다. 그리고 제1레벨은 제2레벨의 매연량은 크기에 있어서 서로 비례 관계로 설정될 수 있다.

예를 들어, 필터가 코디어라이트 재질이라면 제2레벨이 갖는 매연량을 100%라고 했을 때 제1레벨이 갖는 매연량은 75% 이하가 되는 것이 바람직하다. 이러한 비례관계는, 코디어라이트 재질의 필터에 대한 재생효율 및 필터의 내구성(수명)과의 관계를 고려하여 실험적으로 얻어질 수 있으며 후술할 재생 제어로직을 선택적으로 수행했을 때 필터의 내구성 강화 측면에서 더욱 중요한 의미를 갖는다.

제1레벨 및 제2레벨의 기준량이 미리 설정되면 재생로직 판단 단계(20)에서는 매연량 추정단계(S10)에서 추정된 결과값에 따라 기본 재생 제어로직(S40)을 수행할지 다단 재생 제어로직(S30)을 수행할지 판단한다고 전술한 바 있다.

상기 기본 재생 제어로직(S40)은 통상적인 재생방법으로 도 2에 도시된 바와 같이 목표 온도로 바로 승온(①영역)하여 필터의 재생을 수행(②영역)하는 방식을 의미한다.

즉, 기본 재생 제어로직(S40)은 매연여과장치의 입구 온도가 620 내지 650 ℃까지 연료후분사를 통해 배기가스 온도를 점점 상승시킨후(① 영역), 650 ℃로 온도를 유지하도록 하면서 매연이 완전히 연소될 때까지 재생을 수행한다(② 영역 ).

상기 다단 재생 제어로직(S30)은 비정상적인 운전상태 등으로 운행되는 차량에서 필터의 매연포집한계량을 증가시키기 위해 매연여과장치 내부를 단계적 목표온도로 승온하여 필터의 재생을 수행하는 방법으로 여러 종류가 있을 수 있다.

본 실시예에서 상기 다단 재생 제어로직(S30)은 추정된 매연량이 제2레벨량에 해당하면, 도 3에 도시된 바와 같이 매연이 산소와 반응하여 연소될 수 있는 최소한의 온도인 550 내지 580 ℃까지 연료후분사를 통해 배기가스 온도를 상승(① 영역)시키고, 최소한의 온도를 유지하면서 매연의 일부를 연소시킨 후(② 영역), 나머지 매연을 650℃ 로 승온시켜 완전히 연소시킨다(③ 영역).

이와 같이 상기 재생로직 판단 단계(S20)는 매연량 추정단계(S10)에서 추정된 매연량이 제2레벨량이라고 판단되면 다단 재생 제어로직(S30)을 수행하고, 매연량이 제1레벨량이라고 판단되면 기본 재생 제어로직을 수행한다.

따라서, 필터의 재질 및 크기에 따라 포집할 수 있는 매연포집한계량을 고려하여 재생주기를 선택적으로 수행할 수 있기 때문에 필터의 내구성을 향상시켜 수명을 연장시킬 수 있다.

상술한 바와 같이 재생로직 판단 단계(S20)에서 선택적으로 각각 기본 재생 제어로직(S40) 및 다단 재생 제어로직(S30)이 수행되도록 하면 포집된 매연이 완전히 연소되었는지 여부를 판단하여 재생을 완료시키는 단계(S50)를 수행한다. 즉, 포집된 매연이 완전히 연소가 안되었으면 재생을 계속하고, 매연이 완전히 연소가 되었으면 재생을 마치게 된다.

이와 같이, 매연여과장치 내부에 포집된 매연량을 추정하여 매연여과장치의 필터의 재질과 크기에 따라 2가지 레벨 및 단계로 재생을 효율적인 주기로 수행할 수 있으므로 필터의 내구성을 증대시키고 재생효율을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 재생시 연료후분사량을 저감시켜 연비를 향상시킬 수 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 본 발명의 디젤 매연여과장치의 제어 방법에 대한 흐름도.

도 2는 기본 재생 제어로직에 의한 재생 방법을 도시한 도표.

도 3은 다단 재생 제어로직에 의한 재생 방법을 도시한 도표.

<도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명>

S10 : 매연량 추정 단계 S20 : 재생로직 판단 단계

S30 : 다단 재생 제어로직 S40 : 기본 재생 제어로직

S50 : 재생 완료 단계

Claims

엔진의 배기가스를 정화하는 매연여과장치 내부에 축적된 매연량을 추정하여 필터의 재생 과정을 수행할 것인지 여부를 판단하는 매연량 추정단계; 및

추정된 매연량에 따라 기본 재생 또는 다단 재생의 재생 제어로직을 결정하는 재생로직 판단 단계;를 포함하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
제1항에 있어서,

상기 재생 제어로직은,

목표 온도로 바로 승온하여 필터의 재생이 수행되는 기본 재생 제어로직; 및

매연포집한계량을 증가시키기 위해 단계적 목표온도로 승온하여 필터의 재생이 수행되는 다단 재생 제어로직;을 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
제2항에 있어서,

상기 재생로직 판단 단계는

상기 매연량 추정단계에서 추정된 매연량과 비교 대상이 되는 기준매연량을 제1레벨 및 제2레벨로 미리 구분하고, 상기 추정된 매연량이 제1레벨이면 기본 재생 제어로직을, 상기 추정된 매연량이 제2레벨이면 다단 재생 제어로직을 수행하도록 하는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
제3항에 있어서,

상기 제1레벨량은 기본 재생 제어로직 수행시 필터의 매연포집한계량으로 설정되고, 상기 제2레벨량은 다단 재생 제어로직 수행시 필터의 매연포집한계량으로 설정되는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 필터가 코디어라이트 재질이면 상기 제1레벨량은 상기 제2레벨량의 75% 이하가 되는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 기본 재생 제어로직 및 다단 재생 제어로직 수행 이후에는 매연의 연소가 완료되었는지를 판단하는 재생 완료 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
엔진의 배기가스를 정화하는 매연여과장치 내부에 축적된 매연량을 추정하여 필터의 재생 과정을 수행할 것인지 여부를 판단하는 매연량 추정단계;

상기 추정된 매연량이 제1레벨 또는 제2레벨인지를 판별하여 재생 제어로직을 선택적으로 판단하는 재생로직 판단 단계; 를 포함하며,

상기 매연량 추정단계에서 추정된 매연량이 제1레벨에 미치지 아니하면 포집 을 계속 수행하고,

상기 재생로직 판단 단계의 결과값이 제1레벨이면 기본 재생 제어로직이 수행되고 제2레벨이면 다단 재생 제어로직이 수행되는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.
제7항에 있어서,

상기 기본 재생 제어로직 및 다단 재생 제어로직 이후에는 매연의 연소가 완료되었는지를 판단하는 재생 완료 단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 디젤 매연여과장치의 제어방법.