KR100802722B1

KR100802722B1 - 디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법

Info

Publication number: KR100802722B1
Application number: KR1020060116436A
Authority: KR
Inventors: 박상현
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2006-11-23
Filing date: 2006-11-23
Publication date: 2008-02-12
Anticipated expiration: 2026-11-23

Abstract

본 발명은 디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 ECU가 재생 중에 무부하 운전상태를 판단하는 경우 연료량으로 엔진 회전수를 제어하여 배기가스 중의 산소 농도 및 THC 성분이 많은 영역을 회피함으로써 CPF의 비정상 연소를 방지하며, 또한 오버런 구간을 인식한 경우 EGR 밸브를 이용해 엔진으로 유입되는 신기량을 제어하여 CPF로 유입되는 배기가스 내 산소 농도를 낮추어 줌으로써 CPF의 비정상 연소를 방지하는 방법에 관한 것이다.

후처리, 디젤매연촉매여과필터(CPF), 비정상연소(uncontrolled burning), 무부하운전, 오버런, 연료량제어, EGR

Description

디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법 {Method for preventing uncontrolled burning of diesel catalyzed particulate filter}

도 1은 본 발명에 따른 디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법을 나타내는 플로우차트이다.

본 발명은 디젤매연촉매여과필터(CPF)의 비정상 연소 방지 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 ECU가 재생 중에 무부하 운전상태를 판단하는 경우 연료량으로 엔진 회전수를 제어하여 배기가스 중의 산소 농도 및 THC 성분이 많은 영역을 회피함으로써 CPF의 비정상 연소를 방지하며, 또한 오버런 구간을 인식한 경우 EGR 밸브를 이용해 엔진으로 유입되는 신기량을 제어하여 CPF로 유입되는 배기가스 내 산소 농도를 낮추어 줌으로써 CPF의 비정상 연소를 방지하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 자동차는 형태에 따라 승용차나 버스, 트럭 등으로 분류되지만, 같은 형태의 차량이라도 사용하는 연료에 따라 가솔린을 사용하는 가솔린 차량, 디 젤을 사용하는 디젤 차량, LPG를 사용하는 LPG 차량 등으로 분류될 수 있다.

이 중에서 디젤 엔진은 저연비이면서도 우수한 신뢰성을 바탕으로 자동차, 선박, 일반 산업용 등 산업 전반에서 용도가 다양하고, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여, 그 수요가 계속 증가하고 있다.

또한 저연비 차량을 목표로 추진되고 있는 3L 자동차 프로그램 또는 슈퍼카 프로젝트에서 디젤 엔진의 채용이 기정 사실화되고 있어, 디젤 엔진 차량의 증가가 예상되고 있다.

그러나, 선진 각국에서 이러한 디젤 차량이 총 대기오염의 매우 높은 비율을 차지하여 대기오염의 주범으로 인식되고 있기도 하며, 이에 대응하기 위하여 각국에서는 디젤 엔진의 배기가스 규제를 점차 강화하고 있는 추세이다.

디젤 차량의 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과, 매연이라 불리는 입자상물질(PM:Particulate Matter)에 의해 발생한다.

미국의 경우 현재 시행 중인 연방규제를 2004년 이후 대폭 강화할 예정이며, 유럽연합도 2000년 EURO Ⅲ, 2005년 EURO Ⅳ규제를 적용하고 있고, EURO Ⅴ는 EURO Ⅳ의 50% 수준으로 질소산화물과 입자상물질의 규제가 강화될 것으로 예상된다.

따라서, 디젤 차량 배기규제의 주요한 대상물질은 질소산화물과 입자상물질이며, 이의 대응기술로는 연료분사시기 지연, 배기가스 재순환(EGR:Exhaust Gas Recirculation) 장치에 의한 질소산화물 농도 저감, 입자상물질을 저감하기 위한 엔진의 연소성능 개선 및 개량, 후처리 기술 등에 중점을 두어 연구가 이루어지고 있다.

이와 같이 디젤 차량 배기규제의 구체적인 대응책은 엔진의 개량과 후처리 기술로 구분되고 있는데, 우선 디젤 차량의 엔진 개량 기술로는 연료실 개량, 흡기계 개량(터보 차저 + 인터쿨러), 연료분사계 개량(전자제어 고압연료분사 장치), 배기가스 재순환 장치 등이 적용되고 있거나 개발 중에 있다.

또한 지금까지 개발된 후처리 기술로는 가스상의 HC, CO 및 입자상물질 성분 중 SOF를 산화시켜 정화하는 디젤산화촉매(DOC:Diesel Oxidation Catalyst), 입자상물질을 필터로 걸러주어 물리적으로 정화하는 디젤매연여과필터(DPF:Diesel Particulate Filter), 촉매가 코팅된 디젤매연촉매여과필터(CPF:Catalyzed Particulate Filter), 과잉산소 분위기에서 질소산화물을 분해 또는 환원하는 DeNOx 촉매, 그 밖에 디젤산화촉매에 DeNOx 기능 등을 더한 4Way 촉매 등이 있다.

최근 배기규제가 강화되면서 디젤 엔진의 후처리 장치는 필수 요소로 간주되고 있으며, 그 중에 EURO Ⅳ 규제를 맞추기 위하여 CPF가 널리 사용되고 있다.

CPF는 배기라인에 설치되어 디젤 엔진으로부터 배출되는 불연소 입자상물질을 필터 형태로 포집함으로써 대기 중으로 방출되지 않도록 하는 장치이며, 필터에 포집된 입자상물질을 발화온도 이상으로 승온시켜 태우는(재생하는) 기능을 반복적으로 수행하게 된다.

이와 같이 입자상물질 저감을 위해 사용하는 CPF는 어느 정도 이상 입자상물질이 쌓이게 되면 재생과정을 거치게 되는데, CPF의 적절한 온도와 산소(O₂) 농도를 유지하여 재생시기를 조절하고 제어하는 기술이 가장 중요한 요소 중에 하나이다.

그러나, CPF 내부의 온도가 600℃ 정도로 유지된 상태 및 재생상태에서, 엔진 운전조건이 주차시나 무부하 상태에서 가속페달을 밟은 상태(차속은 0이면서 가속페달을 밟은 상태), 즉 무부하 운전(no load racing)조건으로 진입하거나, 차량 주행 중 밟고 있던 가속페달을 갑자기 놓아주게 되면서 엔진 회전수와 연료량이 급격히 떨어질 때와 같은 오버런(overrun) 운전조건으로 진입하게 되면, 재생 중 CPF로 유입되는 산소의 농도가 과다해지면서 급격히 수트(soot)의 연소가 진행되어 CPF의 내부 온도가 1000℃를 상회하게 되고, 이때 CPF가 녹아내리는 현상이 발생한다.

이와 같이 재생 중 산소의 농도가 과다하여 CPF가 녹아내리는 비정상 연소 현상을 제어하는 기술이 현재 개발되어 있지 않으며, 이에 따라 CPF 적용에 있어서 문제점으로 지적되고 있다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로서, CPF 재생 중에 배기가스 내 산소 농도가 과다해지면서 CPF가 녹아내리는 비정상 연소 현상을 방지하기 위한 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 엔진 구동상태에서 ECU가 현재 차 속이 0이고 CPF 재생 중 상태임을 인식하게 되면 현재 엔진 회전수를 미리 설정된 기준 회전수와 비교하는 단계와; 기준 회전수 이상이 될 경우 재생 중 무부하 운전조건에 대응하기 위한 맵 데이터로부터 엔진 회전수에 따른 연료량을 산출하여, CPF의 비정상 연소가 방지되도록, 엔진으로 공급되는 연료량을 산출된 연료량으로 낮추어주는 연료량 제한을 수행하는 단계;를 포함하는 디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법을 제공한다.

또한 본 발명은, ECU가 오버런 구간을 인식하고 CPF 재생 중 상태임을 인식하게 되면 스로틀 밸브를 설정된 개도량 만큼 닫아주고 EGR 밸브를 설정된 개도량 만큼 열어주어 흡입공기량을 줄이고 재순환 배기가스량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 대해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도 1은 본 발명에 따른 디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법을 나타내는 플로우차트이다.

본 발명은 재생 중에 디젤매연촉매여과필터(이하, CPF라 함) 내부로 유입되는 산소의 농도가 과다해지면서(급격한 수트 연소 발생) CPF가 녹아내리는 비정상 연소 현상을 방지하기 위한 방법이다.

특히, 본 발명은 무부하 운전조건일 경우와 오버런 운전조건일 경우 CPF의 산소 농도가 과다해지면서 발생하는 CPF의 비정상 연소(uncontrolled burning)를 방지하기 위한 것으로, ECU가 CPF 재생 중에 무부하 운전조건과 오버런 운전조건을 판단한 경우 산소의 농도를 줄여 CPF에서 발생하는 비정상 연소 현상을 방지하게 된다.

즉, 본 발명에서는 재생 중에 ECU가 무부하 운전상태를 판단하는 경우 연료량으로 엔진 회전수를 제어하여 배기가스 중의 산소 농도 및 THC 성분이 많은 영역을 회피함으로써 CPF의 비정상 연소를 방지하게 되며, 또한 오버런 구간을 인식한 경우 EGR 밸브를 사용해 엔진으로 유입되는 신기량을 제어하여 CPF로 유입되는 배기가스 내 산소 농도를 낮추어 줌으로써 CPF의 비정상 연소를 방지하게 된다.

도 1을 참조하여 각 단계별로 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

엔진 구동상태에서, ECU가 현재 차속이 0이고 CPF 재생 중 상태임을 인식하게 되면, ECU는 현재 엔진 회전수를 미리 설정된 기준 회전수와 비교하게 되고, 여기서 기준 회전수 이상이 될 경우에 CPF 비정상 연소가 발생할 수 있는 무부하 운전조건으로 판단하게 된다.

이에 따라 ECU는 재생 중 무부하 운전조건에 대응하기 위한 별도 설정된 맵 데이터로부터 엔진 회전수에 따른 연료량을 산출하여 엔진으로 공급되는 연료량 제어를 수행하는 바, 이때 상기 맵 데이터에 따라 엔진으로 공급되는 연료량을 정상상태의 연료량에 비해 낮추어줌으로써 비정상 연소가 발생하지 않도록 연료량을 제한하게 된다.

한편, 상기 무부하 운전조건의 연료량 제한 과정과 별개로, 엔진 구동상태에서, ECU가 오버런 구간을 인식(통상의 엔진 제어 과정에서 수행되고 있음)하고 CPF 재생 중 상태임을 인식하게 되면, ECU는 CPF 비정상 연소가 발생할 수 있는 오버런 운전조건으로 판단하게 된다.

이에 따라 ECU는 스로틀 밸브를 설정된 개도량 만큼 닫아주고 EGR 밸브를 설정된 개도량 만큼 열어주어 엔진으로 유입되는 흡입공기량을 줄이고 재순환되는 배기가스량을 증가시켜 최종적으로 비정상 연소가 발생하지 않도록 CPF로 유입되는 배기가스 내 산소 농도를 낮추어주게 된다.

이와 같이 배기가스 내 산소 농도를 낮추어줌으로써 재생 중 엔진 오버런 조건에서 발생할 수 있는 CPF의 비정상 연소가 방지될 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법에 의하면, ECU가 재생 중에 무부하 운전상태를 판단하는 경우 연료량으로 엔진 회전수를 제어하여 배기가스 중의 산소 농도 및 THC 성분이 많은 영역을 회피함으로써 CPF의 비정상 연소를 방지할 수 있게 되며, 또한 오버런 구간을 인식한 경우 EGR 밸브를 사용해 엔진으로 유입되는 신기량을 제어하여 CPF로 유입되는 배기가스 내 산소 농도를 낮추어 줌으로써 CPF의 비정상 연소를 방지할 수 있게 된다.

Claims

엔진 구동상태에서 ECU가 현재 차속이 0이고 CPF 재생 중 상태임을 인식하게 되면 현재 엔진 회전수를 미리 설정된 기준 회전수와 비교하는 단계와;

기준 회전수 이상이 될 경우 재생 중 무부하 운전조건에 대응하기 위한 맵 데이터로부터 엔진 회전수에 따른 연료량을 산출하여, CPF의 비정상 연소가 방지되도록, 엔진으로 공급되는 연료량을 산출된 연료량으로 낮추어주는 연료량 제한을 수행하는 단계;

를 포함하는 디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법.
청구항 1에 있어서,

ECU가 오버런 구간을 인식하고 CPF 재생 중 상태임을 인식하게 되면 스로틀 밸브를 설정된 개도량 만큼 닫아주고 EGR 밸브를 설정된 개도량 만큼 열어주어 흡입공기량을 줄이고 재순환 배기가스량을 증가시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤매연촉매여과필터의 비정상 연소 방지 방법.