KR100590936B1 - 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법에 관한 것으로서, 촉매가 코팅된 필터를 가장 효율적으로 재생시킬 수 있는 로직, 즉 서로 다른 엔진영역에 따라 각기 다른 재생맵(로직)을 적용하여, 서로 다른 엔진영역으로 운전될 때도 동일한 최적의 재생결과를 얻을 수 있는 재생 로직을 제공하고자 한 것으로서, 엔진운전영역별로 크게 저속저부하, 중속중저부하, 고속저부하, 중속중고부하, 저속고부하영역으로 나누고, 각 영역별로 최적의 재생조건인 배기가스온도 600℃와 산소농도 5∼8%를 유지함과 함께 최적의 재생결과를 얻을 수 있도록 한 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법을 제공하고자 한 것이다.

촉매가 코팅된 매연필터, 재생, 엔진 영역

Description

촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법{The regeneration strategy of catalyzed particulate filter}

도 1은 본 발명에 따른 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법을 설명하는 순서도,

도 2는 디젤매연연과필터 재생을 위해 사용되는 ECU의 기본 구조를 나타내는 개략도.

본 발명은 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디젤입자상물질(DPF, Diesel Particulate Filter, 이하 DPF라 한다) 시스템을 이용한 디젤엔진용 배기계 시스템에 관한 것으로서, 서로 다른 엔진영역에 따라 각기 다른 재생맵(로직)을 적용하여, 촉매가 코팅된 매연필터를 최적으로 재생할 수 있도록 한 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법에 관한 것이다.

통상적으로 차량으로부터 배출되는 배기가스는 엔진으로부터 연소된 혼합기 가 배기관을 통하여 대기중으로 방출되는 가스를 말하며, 이러한 배기가스에는 주로 일산화탄소(CO), 질소산화물(NOx), 미연소탄화수소(HC) 등의 유해물질이 포함되어 있다.

이러한 배기가스의 규제는 필연적으로 강화되고 있는 바, 그에따라 배출가스 재순환 장치, 3원촉매, MPI장치 등을 포함하는 배기가스 제어장치와, 캐니스터, 퍼지 컨트롤 솔레노이드 밸브 등을 포함하는 증발가스 제어장치등이 차량에 적용되고 있다.

가솔린 엔진과 달리 디젤엔진 차량은 연비와 출력면에서 우수함에도 불구하고, 배기가스내에 질소산화물(NOx, 이하 NOx라 한다)과 입자상물질(PM:Particulate Matter)이 상당히 많이 함유되어 있다.

디젤차량에 있어서는 공기가 대부분의 운전조건에서 충분한 상태로 연소되기 때문에 CO와 HC는 가솔린 차량에 비하여 아주 적게 배출되나, 위의 NOx와 입자상물질(매연)이 많이 배출된다.

최근 부각되고 있는 입자상물질(PM)을 저감시키는 방법으로 디젤 입자상물질 필터(DPF:Diesel Particulate Filter) 기술을 채택되고 있는 바, 이 디젤 입자상물질 필터는 배기라인에 설치되어, 엔진으로부터 배출된 불연소의 디젤 입자상물질을 트랩(trap)을 이용하여 포집하고, 입자상물질의 발화온도 이상으로 승온시켜 입자상물질을 태우고(재생)하는 기능을 반복 수행하게 된다.

이러한 디젤차량의 배출가스 저감기술은 NOx와 매연을 포함한 입자상물질의 저감이 중점적으로 이루어지고 있으며, 특히 디젤차량의 배출기준 강화에 대응하여 후처리기술로 매연등 입자상물질과 CO, HC등을 줄이기 위한 매연여과장치(DPF)가 이미 실용화 된 바 있으며, 그 밖에 디젤산화촉매장치(DOC)가 개발되었고, NOx만을 선택적으로 줄이기 위한 De-NOx 촉매 및 SCR등이 개발되어 왔다.

이때, 상기 디젤 입자상물질 필터내에 포집된 입자상물질이 연소되는 온도는 550∼600℃ 이상이지만, 디젤엔진의 특성상 배출된 배기가스의 온도는 일반적으로 200∼300℃로 낮은 편이기 때문에 필터내에 포집된 입자상물질이 연소되지 못하는 경우가 발생하게 된다.

따라서, 디젤엔진에서 배출된 배기가스의 온도를 상승시키기 위하여 연료후분사(Post Injection), 산화촉매를 이용한 배기가스의 상승 방법, 연료첨가제 주입등의 여러 기술들이 개발되어 왔다.

현재 및 향후 배기가스의 규제도 이러한 배출가스물질들을 상당량 줄이려고 강화되고 있으나, NOx와 PM은 서로 반비례관계가 있어 NOx를 줄이면 PM이 증가하고, 반대로 PM을 줄이려면 NOx가 증가하는 경향이 있다.

특히, 최근 PM을 저감시키는 방법으로서 최근 가장 각광받는 기술이 DPF이다. DPF는 디젤엔진으로부터 배출되는 PM을 필터내에 물리적으로 포집후, 일정온도 이상으로 승온하여 PM을 제거하는 시스템으로 필터의 PM의 포집효율은 이미 입증된 바 있다.

그러나, 필터내에 포집된 PM이 연소되는 온도는 550∼600℃ 이상이나, 디젤엔진의 특성상 배출되어 나오는 배기가스의 온도는 일반적으로 200∼300℃로 매우 낮은 편이며, 필터내에 포집된 PM이 연소되기에는 너무 낮은 온도이다.

따라서 디젤엔진에서 배출되어 나오는 배기가스의 온도를 상승시키기 위해 많은 기술들이 개발되고 있으며, 특히 연료후분사(Post injection), 산화촉매를 이용한 배기가스의 상승, 연료첨가제 주입등 많은 기술들이 개발중이다.

현재 개발중인 시스템은 단순히 필터전후단의 압력차만을 측정하여, 일정 압력이상이 되었을 경우 배기가스의 온도상승만을 이용하여 필터를 재생시키고 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 개발된 것으로서, 촉매가 코팅된 필터를 가장 효율적으로 재생시킬 수 있는 로직, 즉 서로 다른 엔진영역에 따라 각기 다른 재생맵(로직)을 적용하여, 서로 다른 엔진영역으로 운전될 때도 동일한 최적의 재생결과를 얻을 수 있는 재생 로직을 제공하고자 한 것으로서, 엔진운전영역별로 크게 저속저부하, 중속중저부하, 고속저부하, 중속중고부하, 저속고부하영역으로 나누고, 각 영역별로 최적의 재생조건인 배기가스온도 600℃와 산소농도 5∼8%를 유지함과 함께 최적의 재생결과를 얻을 수 있도록 한 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 엔진의 RPM 및 악셀 개도를 감지하는 단계와; ECU에 의하여 RPM 및 BMEP값이 계산되는 단계와; 촉매가 코팅된 매연필터의 재생시점에서 상기 RPM 및 BMEP값에 따라 엔진 운전영역을 판단하는 단 계와; 엔진 운전 전영역에 대해 EGR을 오프(OFF)시키는 단계와; 엔진의 저속저부하, 고속저부하, 저속고부하, 중속저중부하, 중속고부하의 조건에 따라 연료주분사 지연 또는 연료후분사가 이루어져 해당영역에 알맞게 촉매가 코팅된 매연필터의 재생이 이루어지도록 한 단계와; 재생 완료후 EGR을 온시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법을 제공한다.

바람직한 제1구현예로서, 상기 엔진의 저속저부하 영역(2000rpm, BMEP 3bar이하 영역)에서 약 10∼12도 가량 연료주분사 지연이 이루어진 후, 연료후분사가 10∼12mg/str 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 엔진의 저속저부하 영역에서 연료후분사가 진행된 후, 흡기 트로틀밸브의 조절로 공기량을 감소시키는 동시에 배기가스의 온도를 상승시키는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 제2구현예로서, 상기 엔진의 고속저부하 영역(3500rpm, BMEP 3bar이하 영역)에서 약 10∼12도 가량 연료주분사 지연이 이루어진 후, 연료후분사가 8∼10mg/str 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 엔진의 고속저부하 영역에서 연료후분사가 진행된 후, 부스트압력을 저감시켜 산소농도를 10%이하, 바람직하기로는 5∼8%로 유지시키는 동시에 부스트 압력을 저감시킴으로써, 배기가스의 온도를 상승시키는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 제3구현예로서, 상기 엔진의 저속고부하 영역(2000rpm, BMEP 12bar이하 영역)에서 연료후분사가 2∼4mg/str로 이루어진 다음, 부스트 압력을 증대시켜 공기량을 증가시키는 단계가 진행되는 것을 특징으로 한다.

바람직한 제4구현예로서, 상기 엔진의 중속저중부하 영역(1000∼3500rpm, BMEP 6bar이하 영역)에서 약 6∼8도 가량 연료주분사 지연이 이루어진 후, 연료후분사가 6∼8mg/str 으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

바람직한 제5구현예로서, 상기 엔진의 중속고부하영역으로(1000∼4000rpm, BMEP 6bar이상 영역)에서 약 2∼4도 가량 연료주분사 지연이 이루어진 후, 연료후분사가 2∼4mg/str 로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조로 상세하게 설명하기로 한다.

첨부한 도 1은 현재 디젤매연여과필터의 재생을 위해 사용되는 ECU의 기본 구조이다.

차량의 RPM과 악셀 개도를 ECU가 받아들여, 이미 만들어진 주행맵에 따라 RPM과 악셀개도에 따른 차량의 토크를 출력하고, 여기서 나온 출력은 토크컨버터에서 다시 연료량으로 계산된다.

즉, 토크컨버터(FMTC)는 엔진RPM과 토크에 따른 연료량의 관계를 맵으로 작성하고, 이렇게 측정된 연료량은 각기 엔진 매핑시 사용되며, 엔진매핑시 사용되는 모든 맵은 엔진 RPM과 연료량을 기준으로 한다.

이에, ECU는 엔진 RPM과 연료량에 따라 주분사시기, 연료후분사, rail 압력등의 연료 제어와 부스트압력, EGR, 가변 스월(variable swirl)등 공기량 제어를 하게 된다.

본 발명은 이러한 ECU의 로직맵을 이용하여, 각 엔진영역에 따라 연료주분사 지연(Main injection retard)과 연료후분사를 같이 사용하였으며, 또한 일부영역에서는 부스트압력을 조절함으로써, 최적의 재생조건을 달성하고자 한 것이다.

여기서, 본 발명의 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법을 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 2는 본 발명에 따른 재생로직을 나타내는 순서도이다.

우선, 본 발명의 재생 방법은 엔진의 RPM 및 악셀 개도를 감지하는 단계와, ECU에 의하여 RPM 및 BMEP값이 계산되는 단계를 진행하게 된다.

차량 운전중 ECU는 차량의 RPM과 악셀개도값을 지속적으로 받아들이게 되는 바, ECU로 전달된 RPM과 악셀개도값은 주행맵에 의해 토크로 바뀌고, 다시 토크는 토크컨버터(FMTC)에 의해 연료량으로 바뀌면서 모든 맵을 자유롭게 제어하게 되며, 이 과정에서 BMEP(Brake Mean Effective Pressure)값이 계산된다.

다음으로, 촉매가 코팅된 매연필터의 재생시점에서 상기 RPM 및 BMEP값에 따라 엔진 운전영역을 판단하는 단계와, 엔진 운전 전영역에 대해 EGR을 오프(OFF)시키는 단계를 진행하게 된다.

차량이 계속 운행되면서 재생시점인가를 판단하게 되고, 재생시점이 되면 RPM과 BMEP에 따라 엔진이 운전되는 영역을 판단하게 된다.

특히, 차량에서의 운전조건은 수시로 바뀌기 때문에 운전영역을 판단하는 것은 매우 중요한 바, RPM과 BMEP에 따른 운전영역이 판단되면, 먼저 운전 전영역에 대해 EGR을 오프(OFF)시키게 된다.

상기 EGR의 경우 배기가스의 온도를 상승시키는 데는 매우 효과적이나, 반면 에 산소농도를 급격히 저하시키기 때문에 적절한 산소농도를 확보하기 위해서는 EGR을 오프시키는 것이 매우 중요하다.

다음으로, 엔진의 저속저부하, 고속저부하, 저속고부하, 중속저중부하, 중속고부하의 조건에 따라 연료주분사 지연(=주분사 타이밍 지체) 또는 연료후분사가 이루어져 해당영역에 알맞게 촉매가 코팅된 매연필터의 재생이 이루어지도록 한 단계가 진행된다.

즉, 엔진운전영역에 따라 5개의 운전영역에 포함되는지 판단하고 운전영역에 포함되는 재생맵에 따라 재생을 실시하게 된다.

첫번째로 저속저부하영역(2000rpm, BMEP 3bar이하 영역)에서 엔진이 운전되는 경우는 첫번째 재생맵으로 진입하여, 약 10∼12도 가량 연료주분사 지연(main injection timing retard)을 하게 되고, 이에 따라 연료후분사를 10∼12mg/str 로 하게 된다.

이때, 흡기 트로틀밸브(Intake throttle)을 조절하여 공기량을 약간 감소시켜서 배기가스 온도의 상승을 돕게 된다.

두번째로 고속저부하영역(3500rpm이상, BMEP 3bar이하 영역)으로 엔진운전영역이 진입하게 되면, 약 10∼12도 가량 연료주분사 지연을 하게 되고, 이에 따라 연료후분사를 8∼10mg/str로 하게 된다.

특히, 위의 조건에서 산소농도가 13%이상으로 매우 풍부하여 오히려 재생시 과도한 산소농도로 급격한 연소가 발생하여 필터가 깨질 위험이 있으므로, 부스트압력을 저감시켜 산소농도를 10%이하로 유지시키며, 또한 부스트 압력을 저감시킴 으로써 배기가스의 온도를 상승시키게 된다.

세번째로 저속고부하영역(2000rpm, BMEP 12bar이하 영역)으로써, 이 조건에서는 배기가스의 온도가 높아 연료후분사량을 2∼4mg/str로 조금만 분사시켜도 되며, 이 조건에서는 반대로 산소농도가 매우 낮아 부스트압력을 증가시켜 공기량을 증가시킴으로써 산소농도를 확보하게 된다.

네번째로 중속저중부하영역(1000∼3500rpm, BMEP 6bar이하 영역)으로써, 이 조건에서는 6∼8도 가량 연료주분사 지연을 하게 되고, 이에 따라 연료후분사를 6∼8mg/str로 하게 된다.

마지막으로, 중속고부하영역(1000∼4000rpm, BMEP 6bar이상 영역)으로써, 이 조건에서는 2∼4도 가량 연료주분사 지연을 하게 되고, 이에 따라 연료후분사를 2∼4mg/str 하게 된다.

이때, 위의 5개의 영역중에서 겹치는 부분이 있어, 우선순위를 정하는 것이 바람직하고, 저속저부하영역을 1번으로, 고속저부하영역을 2번으로, 저속고부하영역을 3번으로, 중속저중부하영역을 4번으로, 중속고부하영역을 5번으로 정하여 겹치는 부분이 발생하였을 경우, 이와 같은 우선순위에 해당되는 영역에 따라 재생맵이 결정되도록 한다.

이러한 재생 완료후, ECU는 재생이 완료되었는지를 판단하여 재생이 완료되었을 경우는 다시 원래의 맵으로 전환하여, 다시 EGR을 온(ON)시키게 된다.

이상에서 본 바와 같이, 본 발명에 따른 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법에 의하면, 각 엔진 운전영역에 따라 각기 다른 재생 매핑이 작동하여 재생을 시킴으로써, 매연필터의 정확한 제어 및 정밀한 재생을 도모할 수 있다.

또한, 적절한 배기가스 온도유지 및 산소농도유지를 통해 필터의 파손방지 및 차량의 출력이 동등하게 유지하면서 최적의 연비를 유지시킬 수 있는 장점이 있다.

Claims (8)

1. 엔진의 RPM 및 악셀 개도를 감지하는 단계와;

   ECU에 의하여 RPM 및 BMEP값이 계산되는 단계와;

   촉매가 코팅된 매연필터의 재생시점에서 상기 RPM 및 BMEP값에 따라 엔진 운전영역을 판단하는 단계와;

   엔진 운전 전영역에 대해 EGR을 오프(OFF)시키는 단계와;

   엔진의 저속저부하, 고속저부하, 저속고부하, 중속저중부하, 중속고부하의 조건에 따라 연료주분사 지연 또는 연료후분사가 이루어져 해당영역에 알맞게 촉매가 코팅된 매연필터의 재생이 이루어지도록 한 단계와;

   재생 완료후 EGR을 온시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진의 저속저부하 영역(2000rpm, BMEP 3bar이하 영역)에서 10∼12도 연료주분사 지연이 이루어진 후, 연료후분사가 10∼12mg/str 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서, 상기 엔진의 저속저부하 영역에서 연료후분사가 진행된 후, 흡기 트로틀밸브의 조절로 공기량을 감소시키는 동시에 배기가스의 온도를 상승시키는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진의 고속저부하 영역(3500rpm, BMEP 3bar이하 영역)에서 10∼12도 연료주분사 지연이 이루어진 후, 연료후분사가 8∼10mg/str 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법.
5. 청구항 1 또는 3에 있어서, 상기 엔진의 고속저부하 영역에서 연료후분사가 진행된 후, 부스트압력을 저감시켜 산소농도를 5∼8%로 유지시키는 동시에 부스트 압력을 저감시킴으로써, 배기가스의 온도를 상승시키는 단계가 더 진행되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법.
6. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진의 저속고부하 영역(2000rpm, BMEP 12bar이하 영역)에서 연료후분사가 2∼4mg/str로 이루어진 다음, 부스트 압력을 증대시켜 공 기량을 증가시키는 단계가 진행되는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법.
7. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진의 중속저중부하 영역(1000∼3500rpm, BMEP 6bar이하 영역)에서 6∼8도 연료주분사 지연이 이루어진 후, 연료후분사가 6∼8mg/str 으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법.
8. 청구항 1에 있어서, 상기 엔진의 중속고부하영역으로(1000∼4000rpm, BMEP 6bar이상 영역)에서 2∼4도 연료주분사 지연이 이루어진 후, 연료후분사가 2∼4mg/str 로 이루어지는 것을 특징으로 하는 촉매가 코팅된 매연필터의 재생 방법.

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