KR102440600B1 - 배기가스 후처리 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

배기가스 후처리 시스템 및 그 방법이 개시된다.
본 발명의 실시 예에 따른 배기가서 후처리 시스템은, 가솔린 엔진에서 배출되는 배기가스의 입자상 물질을 포집하는 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF), 상기 엔진의 퓨얼컷 제어조건을 판단하기 위한 차량의 운전정보를 검출하는 운전정보 검출기 및 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하면 퓨얼컷 모드로 진입하여 상기 배기가스의 온도에 따라 설정된 퓨얼컷 유지시간 동안 상기 퓨얼컷 모드를 유지한 후 해제하여 상기 엔진을 이론 공연비 상태로 제어하고, 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간 이내에는 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하더라도 상기 퓨얼컷 모드로의 재진입을 제한하는 제어기를 포함한다.

Description

배기가스 후처리 시스템 및 그 방법{EXHAUST GAS AFTERTREATMENT SYSTEM AND METHOD THEREOF}
본 발명은 배기가스 후처리 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter)의 수트 재생 및 내구성 확보를 위한 배기가스 후처리 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로 내연기관에서의 연비 및 성능을 개선 위하여, 연료를 흡기관 내부에 분사하지 않고 연소실에 직접 분사하는 가솔린 직접분사(Gasoline Direct Injection, GDI) 엔진이 널리 사용되고 있다. 하지만 GDI 엔진은 연소실 내 불완전 연소구간의 증가로 입자상 물질(Particulate Matters, PM)이 발생되어 최근 가솔린엔진에서도 가스상의 배기가스뿐만 아니라 입자상 물질의 배출문제에 대한 규제가 강화되고 있다.
기존의 디젤엔진 기준 입자상 물질의 중량 규제로는 가솔린엔진 입자상 물질의 총 무게가 문제될 수준은 아니지만, 최근 새롭게 규제하고 있는 입자상 물질의 총 발생 수량에 대한 규제에서는 GDI 엔진이 자유로울 수 없다.
뿐만 아니라 최근 친환경에 대한 관심이 고조되면서 유럽의 차량 메이커들도 대부분 가솔린 입자상 물질 필터인 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF) 장착을 기본 사양으로 적용하고 있는 추세 이다.
이러한 GPF는 디젤엔진의 사용 환경과 달리 배기가스의 자체 온도가 디젤엔진 대비 매우 높은 수준이고 이론 공연비(λ=1)의 배기가스 분위기에서 작동 된다.
그러므로, GPF에 퇴적(포집)된 수트(soot)를 재생 하는 방법과 GPF 파손을 방지 방법 등은 디젤엔진과는 차별화된 접근 방식으로 개발이 진행되고 있다.
예컨대, 종래 수트 재생 방법을 살펴보면, GPF에 퇴적된 수트(soot)는 주기적으로 태워 없애야만 하며, 자연적인 운전조건에서 수트(soot)를 태울 수 있는 조건이 형성되면 이를 적극적으로 이용할 필요가 있다. 가령, 입자상 물질은 70% 이상이 탄소 성분으로 구성되어 500℃ 이상에서 산화가 진행되며, 이러한 재생속도는 온도에 따라 증가하고 산소가 충분한 조건에서는 600℃ 이상에서의 급격한 산화 반응으로 퇴적된 수트(soot)를 제거할 수 있다.
또한, 상기 GPF 파손을 방지 방법을 살펴보면, GPF에 퇴적된 수트(soot)는 이론 공연비 조건에서 산화를 위한 산소의 부재로 인해 지속적으로 퇴적되다가 퓨얼컷(Fuel-cut off, FCO) 조건, 즉 엔진에 연료가 공급되지 않는 타행주행조건에서는 배기가스에 일반 대기중의 산소조건이 반영되어 급격한 연소가 발생할 수 있다. 이때, 배기가스 온도가 높은 상태에서 일정량의 매연이 퇴적된 GPF는 자체의 내구한계 온도를 넘어서는 과열 온도조건에 노출되면 파손될 수 있다. 그래서, 종래에는 특정 온도조건 이상에서는 퓨얼 컷 진입을 제한하는 방식이 적용되고 있다.
그러나, 종래의 특정 온도조건 이상에서 퓨얼컷 진입을 원천적으로 제한하는 방식은 GPF의 급격한 온도상승을 방지할 수 있는 반면에 상기 수트 재생방법에 의해 자연적으로 GPF에 퇴적된 수트(soot)를 제거 할 수 있는 기회 또한 없어지는 트레이드 오프(Trade off)관계의 문제점이 있다.
따라서, 종래의 트레이드 오프(Trade off) 관계에 있는 상기 수트 재생방법과 특정 온도조건 이상에서 퓨얼컷 진입을 제한하는 방식의 문제를 개선할 수 있는 방안이 요구된다.
본 발명의 실시 예는 배기가스의 급격한 연소로 인한 과열로 GPF가 파손되는 것을 예방함과 동시에 상기 GPF 내부에 퇴적된 입자상 물질을 제거할 수 있도록 퓨얼컷 유지시간을 제어하는 배기가스 후처리 시스템 및 그 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 배기가스 후처리 시스템은, 가솔린 엔진에서 배출되는 배기가스의 입자상 물질을 포집하는 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF); 상기 엔진의 퓨얼컷 제어조건을 판단하기 위한 차량의 운전정보를 검출하는 운전정보 검출기; 및 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하면 퓨얼컷 모드로 진입하여 상기 배기가스의 온도에 따라 설정된 퓨얼컷 유지시간 동안 상기 퓨얼컷 모드를 유지한 후 해제하여 상기 엔진을 이론 공연비 상태로 제어하고, 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간 이내에는 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하더라도 상기 퓨얼컷 모드로의 재진입을 제한하는 제어기를 포함한다.
또한, 배기가스 후처리 시스템은 상기 GPF의 전단에 배치되어 상기 GPF에 유입되는 배기가스의 입구온도를 측정하는 입구온도센서; 및 상기 GPF의 후단에 배치되어 상기 GPF에서 배출되는 배기가스의 출구온도를 측정하는 출구온도센서를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 퓨얼컷 유지시간을 상기 GPF에 유입되는 배기가스의 입구온도에 따라 변동되도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 GPF의 입구온도가 상기 GPF의 급격한 내부온도 상승을 유발하는 일정 위험온도를 초과하여 높을수록 상기 퓨얼컷 유지시간을 짧게 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 GPF의 입구온도가 상기 GPF의 내구한계 온도에 근접한 한계치에 도달하면 상기 퓨얼컷 유지시간을 "0"으로 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 GPF의 입구온도가 상기 위험온도 미만의 안전한 온도영역에서는 상기 퓨얼컷 유지시간을 최대유지시간으로 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 퓨얼컷 유지시간에 따른 상기 퓨얼컷 모드가 해제된 이후에 상기 GPF가 안전한 온도영역으로 식을 수 있도록 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 GPF의 입구온도가 상기 GPF의 급격한 온도 상승을 유발하는 일정 위험온도를 초과하여 높을수록 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 길게 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 퓨얼컷 모드의 해제 시 상기 GPF 후단의 출구온도를 기준으로 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간이 변동되도록 설정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 GPF의 출구온도가 소정 온도 이하의 안전한 온도영역으로 낮아지면 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 "0"으로 리셋할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 상기 운전정보에 따른 운전점에 투입된 연료량과 공기량에 따라 발생되는 배기가스 온도를 맵핑하고, 촉매 컨버터를 지나면서 산화반응을 통해 상승하는 온도를 산화반응식으로 계산하여 보정한 후 상기 GPF의 입구까지 도달하는 배기가스 유량을 고려한 열손실량을 보정한 모델링 값을 통해 GPF의 입구온도를 예측하고, 상기 입구온도의 모델링 값을 기준으로 상기 GPF가 가지고 있는 열용량에 따른 온도변화와 퇴적된 수트의 산화에 의해 발생하는 발열온도를 계산하여 GPF의 출구온도를 예측할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 측면에 따른, 가솔린 엔진 차량의 배기가스 후처리 제어 방법은, a) 이론 공연비 운전으로 제어 중인 가솔린 엔진에서 배출되는 배기가스의 입자상 물질을 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF)를 통해 포집하는 단계; b) 차량의 운전정보를 수집하여 퓨얼컷 진입 조건을 충족하면 퓨얼컷 모드로 진입하되, 상기 배기가스의 온도에 따른 퓨얼컷 유지시간 및 퓨얼컷 재진입 제한시간 중 적어도 하나를 설정하는 단계; c) 상기 퓨얼컷 유지시간 동안 상기 퓨얼컷 모드를 유지한 후 해제하여 상기 이론 공연비 운전을 재개하는 단계; 및 d) 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하더라도 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간 이내에는 상기 퓨얼컷 모드로의 재진입을 제한하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 b) 단계는, 차량의 시동 후 처음으로 퓨얼컷 진입조건을 충족하거나 직전의 퓨얼컷 모드 해제 시점으로부터 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간이 흐른 경우 상기 퓨얼컷 모드로 진입을 허가할 수 있다.
또한, 상기 b) 단계는, 상기 GPF의 입구온도가 GPF의 급격한 온도 상승을 유발하는 일정 위험온도를 초과하여 높을수록 상기 퓨얼컷 유지시간을 짧게 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 GPF의 입구온도가 일정 위험온도 미만의 안전한 온도영역에서는 상기 상기 퓨얼컷 유지시간을 최대유지시간으로 설정할 수 있다.
또한, 상기 b) 단계는, 상기 배기가스의 온도가 상기 GPF의 내구한계 온도에 가깝게 증가할 수록 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 길게 설정할 수 있다.
또한, 상기 b) 단계는, 상기 배기가스의 온도가 일정 위험온도 미만의 안전한 온도영역에서는 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 "0"으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 측면에 따른, 배기가스 후처리 시스템은, 가솔린 엔진에서 배출되는 배기가스의 입자상 물질을 포집하는 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF); 상기 엔진의 퓨얼컷 제어조건을 판단하기 위한 차량의 운전정보를 검출하는 운전정보 검출기; 및 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하면 퓨얼컷 모드로 진입하여 상기 GPF 내부에 입자상 물질이 포집된 수트량에 따라 설정된 퓨얼컷 유지시간 동안 상기 퓨얼컷 모드를 유지한 후 해제하여 상기 엔진을 이론 공연비 상태로 제어하고, 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간 이내에는 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하더라도 상기 퓨얼컷 모드로의 재진입을 제한하는 제어기를 포함한다.
또한, 상기 제어기는 상기 수트량이 많을수록 상기 퓨얼컷 유지시간을 점차적으로 짧게 조정할 수 있다.
또한, 상기 제어기는 급격한 온도상승이 나타나는 특정 GPF의 입구온도 조건에서는 상기 수트량에 따라 설정된 기준 퓨얼컷 유지시간에 비해 짧게 단축된 퓨얼컷 유지시간을 설정할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 가솔린 차량의 배기가스 온도에 따른 퓨얼컷 유지시간을 허용된 일정시간으로 제한함으로써 GPF의 급격한 온도 상승을 억제하고 동시에 내부에 퇴적된 수트의 재생을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배기가스의 온도에 따른 퓨얼컷 재진입 제한시간 설정으로 안전한 온도영역에서 퓨얼컷 제어에 따른 수트 재생을 수행함으로써 GPF의 내구한계 온도 노출에 따른 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 퓨얼컷 제어를 통해 자연스럽게 GPF에 퇴적된 수트 재생을 제어함으로써 별도의 수트 재생에 필요한 추가연료소모를 억제하고 GPF의 배압을 감소 시켜 주행연비를 개선 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 퓨얼컷 제어를 이용한 수트 재생 시 GPF 필터 내부 온도 분포 예시를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 필터의 내구 한계온도를 고려한 퓨얼컷 제어 예시를 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가솔린 엔진 차량의 배기가스 후처리 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 제1 추가 실시 예에 따른 퇴적된 수트량에 따른 상기 퓨얼컷 유지시간 변경결과를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 제2 추가 실시 예에 따른 복합적 제어방식을 도출하기 위한 GPF의 내부온도 측정한 결과를 나타낸다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
명세서 전체에서, 제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
또한, 명세서 전체에서 별다른 기재가 없는 한 필터는 가솔린 매연저감필터(GPF)를 의미한다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 시스템 및 그 방법에 대하여 도면을 참조로 하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 구성을 개략적으로 나타낸다.
첨부된 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 시스템(100)은 엔진(110), 배기관(120), 촉매 컨버터(130), 가솔린 매연저감필터 (Gasoline Particulate Filter, GPF)(140), 입구온도센서(141), 출구온도센서(142), 운전정보 검출기(150) 및 제어기(160)를 포함한다.
엔진(110)은 후술되는 제어기(160)의 제어에 따른 출력이 제어되어 최적의 운전점으로 구동된다.
엔진(110)은 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection, GDI) 엔진으로 인젝터(111)를 통해 연소실(112) 내부로 직접 분사되는 연료와 공기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다.
이러한, 엔진(110)은 일측부에 연결된 흡기 매니폴드(113)를 통해 연소실(112) 내부로 공기가 유입되고, 타측부에 연결된 배기 매니폴드(114)를 통해 연소 과정에서 발생된 배기가스를 차량의 외부로 배출한다.
이때, 상기 배기가스는 입자상 물질(PM)이 포함되어 있으며, 상기 입자상 물질은 수트(soot), 유기성용해물질(Soluble Organic Fraction, SOF) 및 카본입자(carbon or soot) 등을 포함한다.
배기관(120)은 배기 매니폴드(114)에 연결되어 배기가스를 차량의 외부로 배출한다.
이러한, 배기관(120) 상에는 촉매 컨버터(130) 및 GPF(140)가 장착되어 배기가스 내에 포함된 입자상 물질을 제거하는 역할을 한다.
촉매 컨버터(130)는 배기관(120)에 배치되어 배기가스를 정화한다. 즉, 촉매 컨버터(130)는 엔진(110)에서 배출되는 배기가스에 포함된 질소 산화물과 입자상 물질 등의 유해성분을 촉매 작용으로 저감시킨다.
가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF)(140)는 가솔린 엔진(110)에서 배출되는 배기가스의 입자상 물질을 포집한다.
상기 입자상 물질의 대부분은 탄소 성분의 수트(soot)가 차지하며, 이러한 수트(soot)는 연료가 제대로 연소되지 않을 때 발생될 수 있다. 이에 GPF(140)는 물리적인 다공성 필터 재질로 구성되어 수트(soot)를 포함한 입자상 물질을 포집한다. 또한 이와 같은 표현으로 필터에 입자상 물질이 퇴적된다고 설명할 수 있다.
즉, GPF(140)는 엔진(110)으로부터 배출되는 배기가스에 포함된 수트를 포집하여 여과하고, 내부에 퇴적된 수트량, 차량의 주행 거리, 시간 등에 따라 자동으로 퇴적된 수트를 태워버리는 재생 과정을 거칠 수 있다. 이러한 재생 과정은 엔진(110)의 배기행정에 고온의 배기가스에 연료를 분사하여 추가적인 연소를 통해 온도를 더욱 상승시킴으로써 고온에서의 급격한 산화반응으로 퇴적된 수트를 제거하는 과정이다.
한편, GPF(140)는 제어기(160)의 퓨얼컷 모드 제어에 따른 차량 운전상태에서 자연스럽게 수트 재생을 수행할 수 있으며, 이는 추가적인 연료 소비 없이도 재생이 가능하므로 기회가 있을 때마다 적극적으로 활용하는 것이 연비확보에 유리하다.
입구온도센서(141)는 GPF(140)의 전단에 배치되어 GPF(140)로 유입되는 배기가스의 입구온도를 측정하고, 측정된 입구온도를 제어기(160)에 제공한다.
출구온도센서(142)는 GPF(140)의 후단에 배치되어 GPF(140)에서 배출되는 배기가스의 출구온도를 측정하고, 측정된 출구온도를 제어기(160)에 제공한다.
운전정보 검출기(150)는 엔진(110) 및 GPF(140)를 제어하기 위한 차량의 운전정보(운전상태)를 검출한다. 즉, 운전정보 검출기(150)는 가속 페달 작동상태(위치 값), 브레이크 페달 작동상태(위치 값), 엔진 RPM, 주행 거리, 주행 시간 및 냉각수 온도 등의 운전정보를 검출하여 제어기(160)에 제공한다. 예컨대, 운전자의 가속 의지로 가속 페달이 작동된 경우에는 위치 값이 100%이고, 가속 페달이 작동되지 않은 경우에는 위치 값이 0%으로 검출할 수 있다.
또한, 운전정보 검출기(150)는 운전자 이외의 제어기(160)의 차량 제어에 따라 변동되는 차량 운전정보를 검출할 수 있다.
제어기(160)는 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리를 위해 상기 엔진(110), 촉매 컨버터(130), GPF(140), 입구온도센서(141), 출구온도센서(142) 및 운전정보 검출기(150)의 전반적인 동작을 제어한다.
제어기(160)는 운전정보 검출기(150)에서 차량의 운전정보를 수신하여 이를 기반으로 차량의 퓨얼컷(Fuel cut) 제어를 수행한다. 예컨대, 제어기(160)는 가속 페달이 작동되지 않은 상태에서 일정 이상의 엔진 RPM(또는 속도)에서 일정 시간 동안 타행주행을 계속하거나 브레이크 페달이 작동된 운전정보에 따른 퓨얼컷 진입으로 연료저감 운전을 제어할 수 있다.
제어기(160)는 차량의 퓨얼컷 제어를 통해 자연스러운 운전조건에서의 수트 재생제어를 수행할 수 있다. 즉, 차량이 상기 퓨얼컷 모드에 진입하면 외기(신기) 유입에 따른 산소조건이 반영되어 급격한 연소가 발생되고, 그로 인해 배기가스의 온도가 상승하면서 자연적인 수트의 산화반응으로 GPF(140)에 포집된 수트를 제거할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 퓨얼컷 제어를 이용한 수트 재생 시 GPF 필터 내부 온도 분포 예시를 나타낸다.
첨부된 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 퓨얼컷 제어 시 GPF(140)에 일정 수준의 수트(soot)가 퇴적 된 경우, GPF(140)에 유입되는 배기가스 온도와 상기 배기가스 중에 포함된 산소 농도에 의해서 수트의 산화반응(즉, 수트 재생)이 진행된다.
이때, 수트(Soot)의 산화반응식은 아래의 수학식 1과 같이 정의 할 수 있다.
Figure 112017103196417-pat00001
여기서, mc는 수트(soot)의 무게, Po2는 배기가스 중 산소의 분율, T는 배기가스 온도, A는 반응 상수, R은 기체 상수, Ea은 활성화 에너지를 각각 의미한다.
상기 수학식 1에서 산화반응속도에 영향을 미치는 인자는, 수트(soot)의 무게(mc)와, 배기가스 중 산소의 분율(Po2) 및 배기가스의 온도(T)의 3가지 인자로 나타날 수 있다.
이때, 제어기(160)가 가솔린 엔진(110)을 일반적인 이론 공연비 운전 조건으로 제어하는 경우 산소 농도가 "0" 이기 때문에 산화반응이 일어 날 수 없고, 온도 조건이 낮은 경우 수식의 지수함수(exponential) 수식으로 반영되어 그 산화반응속도가 매우 작게 된다.
따라서, 산화반응속도가 매우 빠르게 나타날 수 있는 조건을 가솔린 엔진(110)의 배기가스 중에 나타날 수 있는 물리적 현상으로 설명하면, GPF(140)에 일정 수준 이상 수트(soot)가 퇴적 된 상태에서 GPF(140)로 유입되는 배기가스 온도가 소정 반응온도(예; 약 500℃)이상으로 높고, 퓨얼컷(Fuel cut) 제어에서 20% 수준의 산소가 공급되는 조건으로 정의할 수 있다.
상기 정의된 조건의 경우, 도 2와 같이 GPF(140) 내부의 온도는 산화반응의 발열 반응으로 인하여 급격한 온도 상승이 나타난다. 이때, 앞서 [발명의 배경이 되는 기술]에서 설명한 것과 같이 상기 급격한 온도 상승이 해당 필터의 내구한계 온도를 초과하여 과열되면 GPF(140)가 파손되는 문제점이 존재한다.
이에, 제어기(160)는 상기 산화반응속도에 영향을 미치는 3가지 인자 중에서 제어할 수 있는 항목으로 퓨얼컷 제어를 통한 배기가스 중 산소의 분율(Po2)을 조절하여 GPF(140) 내부의 급격한 온도 상승을 방지할 수 있다.
구체적으로, 제어기(160)는 차량의 퓨얼컷 유지시간을 제어하여 배기가스 중 산소의 분율(Po2)을 조절함으로써 GPF(140)의 내부 온도가 해당 필터의 내구한계 온도를 초과하는 것을 방지하는 것을 목적으로 한다. 이를 통해, 퓨얼컷 제어로 공급된 산소에 의해 GPF(140)에 퇴적된 수트(soot)의 재생을 빠른 속도록 진행함과 동시에 GPF(140)의 내구한계 온도를 초과하지 않도록 제어함으로써 필터의 안정성을 유지하고자 한다.
이러한 목적을 위하여, 제어기(160)는 설정된 프로그램에 의하여 동작하는 하나 이상의 프로세서로 구현될 수 있으며, 상기 설정된 프로그램은 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 정화장치의 제어 방법의 각 단계를 수행하도록 프로그래밍 된 것일 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 필터의 내구 한계온도를 고려한 퓨얼컷 제어 예시를 나타낸다.
첨부된 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 제어기(160)는 차량의 운전정보에 따른 퓨얼컷 제어 중 GPF(140)에 퇴적된 수트의 연소에 따른 급격한 내부온도 상승을 방지하기 위하여 퓨얼컷 유지시간을 제한한다. 상기 내부온도는 입구온도를 기준으로 GPF(140)가 가진 열용량 및 유량으로 모델링하여 산출될 수 있다.
제어기(160)는 차량의 운행 중 수집된 운전정보가 퓨얼컷 제어 조건을 충족하면 퓨얼컷 모드(이하, 제1 퓨얼컷 모드라 명명함)로 진입하여 설정된 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO) 동안 퓨얼컷 제어를 유지한 후 상기 제1 퓨얼컷 모드를 해제하여 엔진(110)을 이론 공연비 상태로 제어한다.
즉, 제어기(160)는 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족한 상태에 있더라도 상기 퓨얼컷 유지시간 동안만 상기 제1 퓨얼컷 제어를 유지하도록 제한하여 GPF(140)의 온도가 내구한계 온도를 초과하지 않도록 한다.
제어기(160)는 상기 제1 퓨얼컷 모드로 진입한 시점의 배기가스 온도에 따라 상기 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO)을 설정한다.
제어기(160)는 상기 퓨얼컷 유지시간을 GPF(140)로 유입되는 배기가스의 입구온도에 따라 변동되도록 설정할 수 있다. 예컨대, 상기 입구온도가 GPF(140)의 급격한 온도상승을 유발하는 배기가스의 특정 위험온도를 초과하여 높을수록 상기 퓨얼컷 유지시간을 짧게 설정할 수 있다.
여기서, 제어기(160)는 상기 위험온도를 수트의 산화속도를 기준으로 판단할 수 있다. 배기가스의 온도와 수트의 산화속도는 지수함수와 같은 상관관계를 갖고 있으며 수트의 산화를 통한 GPF(140) 내부온도가 GPF(140)의 내구한계 온도의 80%에 이르면 위험온도 영역이라 판단하여 퓨얼컷 유지시간을 제한할 수 있다.
또한, 제어기(160)는 상기 특정 위험온도 미만의 안전한 온도영역에서는 퓨얼컷 유지시간을 설정 가능한 최대유지시간(Maximum time_limit_FCO)으로 설정할 수 있다.
여기서, 안전한 온도영역은 화학적으로 수트의 주 성분인 카본의 화학반응이 일어나지 않는 온도영역으로 정의하며, 이 영역의 배기가스 온도는 수트의 연소를 통해 추가적인 발열을 야기하지 않기 때문에 퓨얼컷 유지시간을 최대한 보장할 수 있다.
제어기(160)는 상기 배기가스의 입구온도를 GPF(140)의 입구온도센서(141)로부터 수집할 수 있다. 만약에 상기 입구온도센서(141)가 존재하지 않는 경우에는 운전정보 기반의 모델링을 통한 GPF(140)의 입구온도 예측 방법으로 추정하여 상기 퓨얼컷 유지시간이 변동되도록 설정할 수 있다.
예컨대, 제어기(160)는 상기 입구온도의 예측방법으로 차량의 운전정보에 따른 운전점에서 투입된 연료량과 공기량에 따라 발생하는 배기가스 온도를 맵핑을 통해 특정하고, 촉매 컨버터(130)를 지나면서 산화 반응을 통해 상승하는 온도를 산화반응식으로 계산하여 보정한다. 그리고 배기관(120)을 따라서 GPF(140)의 전단까지 도달하는 배기가스 유량을 고려한 외부와의 열전달 등으로 손실되는 열손실량을 보정하여 모델링된 값을 통해 상기 입구온도를 산출할 수 있다.
또한, 제어기(160)는 출구온도의 예측방법으로 상기 입구온도 모델링 값을 기준으로, GPF(140)가 가지고 있는 열용량에 따른 배기가스 온도의 승온 및 하강 속도를 보정하고, GPF(140) 내부에 퇴적된 수트의 산화에 의해 발생하는 발열온도를 계산하여 출구온도를 예측할 수 있다.
한편, 상기 제1 퓨얼컷 모드를 상기 퓨얼컷 유지시간 동안만 유지하도록 제한하여 GPF(140)의 입구온도가 낮아진다 하더라도, GPF(140)가 갖고 있는 열용량 때문에 이미 높아진 내부열로 인한 내부의 급격한 온도 상승이 나타날 수 있다.
그러므로, 제어기(160)는 상기 퓨얼컷 유지시간에 의한 제1 퓨얼컷 모드의 해제 이후에 GPF(140)의 온도가 안전한 온도영역으로 식을 수 있도록 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 설정한다.
이를 통해, 제어기(160)는 상기 제1 퓨얼컷 모드를 해제한 이후 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어 조건을 충족하거나 유지하고 있더라도 설정된 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO) 이내에서는 제2 퓨얼컷 모드로의 재진입을 제한할 수 있다.
상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)은 상기 제1 퓨얼컷 모드로 진입한 시점의 배기가스 온도에 따라 설정될 수 있다.
예컨대, 제어기(160)는 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 설정함에 있어서 직전의 제1 퓨얼컷 모드가 GPF(140)의 급격한 온도상승을 유발하는 배기가스의 위험온도 이상에서 활성화된 경우 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 설정한다.
이때, 제어기(160)는 상기 위험온도 이상의 배기가스 온도가 GPF(140)의 내구한계 온도에 가깝게 높을수록 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 길게 설정할 수 있다. 또한, 이와 같은 의미를 다른 측면으로 설명하면 상기 배기가스 온도가 낮을 수록 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 짧게 설정할 수 있다.
또한, 제어기(160)는 상기 GPF(140)로부터 배출되는 배기가스의 출구온도를 기준으로 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)이 변동되도록 설정할 수도 있다.
예를 들면, 제어기(160)는 상기 직전의 상기 제1 퓨얼컷 모드의 해제 시 상기 배기가스의 출구온도를 측정한다. 상기 배기가스의 출구온도는 GPF(140)의 출구온도센서(142)를 통해 측정할 수 있다. 만약에 상기 출구온도센서(142)가 존재하지 않으면 제어기(160)에서 모델링을 통한 출구온도 예측 방법으로 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)이 변동되도록 설정할 수 있다.
이때, 상기 출구온도에는 GPF(140)의 내부에서의 수트(Soot) 산화반응에 따른 내부온도가 반영되므로, 상기 입구온도에 의해 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 상기 내부온도가 반영된 출구온도를 가지고 변경할 수 있다.
이때, 제어기(160)는 출구온도센서(142)를 통해 측정된 배기가스의 출구온도가 안전한 온도영역 이하로 낮아진 경우 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 "0"으로 리셋하여 퓨얼컷 재진입 제한시간 없이 바로 다음 제2 퓨얼컷 모드로의 재진입을 허용할 수 있다.
한편, 전술한 배기가스 후처리 시스템(100)의 구성을 바탕으로 하는 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 제어 방법을 다음의 도 4를 통해 설명한다.
다만, 앞서 설명된 배기가스 후처리 시스템(100)의 구성요소들은 하나의 시스템으로 통합되거나 더 세분화될 수 있는 바, 이하 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 제어 방법을 설명함에 있어서 각 단계의 주체는 해당 구성요소들이 아닌 배기가스 후처리 시스템(100)을 주체로 설명하기로 한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 가솔린 엔진 차량의 배기가스 후처리 제어 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
첨부된 도 4를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 배기가스 후처리 시스템(100)은 차량이 시동된 후 일반적인 이론 공연비 운전으로 제어하고(S101), 차량의 운전정보를 수집하여 퓨얼컷 진입 조건을 충족하는지 여부를 판단한다(S102).
이때, 배기가스 후처리 시스템(100)은 가속페달 작동상태, 브레이크 페달 작동상태, 엔진 RPM, 차량 속도, 냉각수 온도, 타행주행 시간 중 적어도 하나의 운전정보가 퓨얼컷 진입 조건을 충족하지 않으면(S102; 아니오), 상기 이론 공연비 운전을 계속한다.
반면, 배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 운전정보가 퓨얼컷 진입조건을 충족하면(S102; 예), 상기 이론 공연비 운전 시간이 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO) 이상 흘렀는지 확인한다(S103).
이때, 배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 이론 공연비 운전 시간(퓨얼컷 제한 시간)이 상기 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO) 미만이면(S103; 아니오), 상기 이론 공연비 운전을 계속한다.
반면, 배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 이론 공연비 운전 시간(퓨얼컷 제한 시간)이 상기 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO) 이상이면(S103; 예), 배기가스의 온도조건을 판단하는 다음 S104 단계로 넘어간다.
여기서, 배기가스 후처리 시스템(100)은 차량의 시동 후 처음으로 퓨얼컷 진입조건을 충족하여 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)이 존재하지 않거나, 또는 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간이 "0"이면, 바로 S104 단계로 넘어갈 수 있다.
배기가스 후처리 시스템(100)은 배기가스의 온도가 GPF(140)의 급격한 온도상승을 유발하는 특정 위험온도 이상이면(S104; 예), 상기 배기가스의 온도에 따라 상응하는 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 설정한다(S105).
이때, 상기 배기가스의 온도는 GPF(140)의 입구온도센서(141)를 통해 측정되거나 운전정보 기반 모델링을 통한 입구온도 예측 방법을 이용하여 추정될 수 있다. 또한, 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간은 상기 배기가스의 온도가 GPF(140)의 내구한계 온도에 가깝게 높을수록 길게 설정될 수 있다.
배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 배기가스 온도에 따라 상응하는 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO)을 설정한다(S106). 이때, 배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 입구온도가 GPF(140)의 급격한 온도상승을 유발하는 배기가스의 특정 위험온도를 초과하여 높을수록 상기 퓨얼컷 유지시간을 짧게 설정할 수 있다.
배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간 및 퓨얼컷 유지시간이 설정되면 제1 퓨얼컷 모드로 진입하고(S109), 상기 제1 퓨얼컷 모드의 진입 시점으로부터 제1 퓨얼컷 모드의 제어시간을 카운트 한다.
이후, 배기가스 후처리 시스템(100)은 카운트된 상기 제1 퓨얼컷 모드의 제어시간이 상기 설정된 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO) 미만이고(S110; 예), 차량의 운전정보가 퓨얼컷 유지조건을 충족하면(S111; 예), 상기 제1 퓨얼컷 모드를 계속 유지한다.
반면, 배기가스 후처리 시스템(100)은 카운트된 상기 제1 퓨얼컷 모드의 제어시간이 상기 설정된 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO)을 초과하거나(S110; 아니오), 차량의 운전정보가 퓨얼컷 유지조건을 충족하지 않으면(S111; 아니오), 상기 제1 퓨얼컷 모드를 해제하고(S112), 상기 S101 단계로 돌아가 이론 공연비 운전을 재개한다.
이때, 배기가스 후처리 시스템(100)은 S101 단계로 돌아가 상기 제1 퓨얼컷 모드의 해제 시점으로부터 이론 공연비 운전으로 흐른 시간을 카운트할 수 있다.
이후, 배기가스 후처리 시스템(100)은 차량의 운전정보가 퓨얼컷 진입 조건을 충족한 상태에서(S102; 예), 직전의 상기 제1 퓨얼컷 모드의 해제 시점으로부터 흐른 시간(즉, 이론 공연비 운전 시간)이 설정된 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO) 이상이면(S103, 예), 제2 퓨얼컷 모드의 진입을 위한 후속 단계를 수행할 수 있다.
한편, 상기 S104 단계에서, 배기가스 후처리 시스템(100)은 배기가스의 온도가 상기 위험온도 미만이면(S104; 아니오), 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간(time_prohibit_FCO)을 "0"으로 설정할 수 있다(S107).
또한, 배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 위험온도 미만의 안전한 온도영역에서는 퓨얼컷 최대유지시간(Maximum time_limit_FCO)을 설정하고(S108), 상기 제1 퓨얼컷 모드로 진입할 수 있다.
이 경우 배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 퓨얼컷 최대유지시간을 유지한 후 상기 S101 단계로 리턴하여 퓨얼컷 진입 조건을 충족하면(S102; 예), 상기 재진입 제한시간이 "0"이므로 바로 제2 퓨얼컷 모드의 진입을 위한 후속 단계(S104 단계 이하)를 수행할 수 있다.
이처럼, 배기가스 후처리 시스템(100)은 상기 위험온도 미만의 배기가스 온도에서는 급격한 연소가 발생하지 않기 때문에 퓨얼컷 재진입 제한시간("0")을 제한하지 않을 수 있다.
이와 반대로, 상기 배기가스 온도가 위험온도를 초과하여 내구한계 온도에 근접하는 경우 상기 퓨얼컷 유지시간이 "0"이 되는 한계영역이 존재하며, 이때 배기가스 후처리 시스템(100)은 운전정보가 퓨얼컷 진입 조건을 충족하더라도 퓨얼컷 진입 자체를 제한할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 가솔린 차량의 배기가스 온도에 따라 퓨얼컷 유지시간을 설정된 일정시간 동안 제한함으로써 GPF의 급격한 온도 상승을 억제하고, 동시에 내부에 퇴적된 수트의 재생을 수행할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배기가스의 온도에 따른 퓨얼컷 재진입 제한시간 설정으로 안전한 온도영역에서 퓨얼컷 제어에 따른 수트 재생을 수행함으로써 GPF의 내구한계 온도 노출에 따른 파손을 방지할 수 있는 효과가 있다.
또한, 퓨얼컷 제어를 통해 자연스럽게 GPF에 퇴적된 수트 재생을 제어함으로써 별도의 수트 재생에 필요한 추가연료소모를 억제하고 GPF의 배압을 감소 시켜 주행연비를 개선 할 수 있는 효과가 있다.
[제1 추가 실시예]
이상에서는 본 발명의 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에만 한정되는 것은 아니며 그 외의 다양한 변경이 가능하다.
예컨대, 전술한 본 발명의 실시 예에서는 배기가스 후처리 시스템(100)가 퓨얼컷 모드로 진입한 시점의 배기가스 온도에 따라 상기 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO)을 제어하는 것으로 설명하였다.
그러나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않으며 상기 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO)을 제어함에 있어서, 상기 퓨얼컷 유지시간을 설정하는 인자로 GPF(140) 내부에 퇴적된 수트량(즉, 퇴적된 입자상 물질의 양)에 따라 상기 퓨얼컷 유지시간을 변경할 수 있다.
여기서, GPF(140)에 퇴적된 수트량은, 특정 계산 방법에 의해서 산출되는 방법, 센서에 의해 직접적으로 산출하는 방법, 통계적 기법에 의해 그 양을 산출하는 방법을 포함하여, 이들을 직/간접적 활용한 방법으로 퇴적된 수트량을 산출하는 방법을 포함한다.
예컨대, 상기 특정 계산 방법에 의해서 산출되는 방법은 엔진(110)의 운전조건(예; 엔진 회전수, 엔진부하 등)별 측정정보에 기초한 수트의 발생량을 특정지어 실시간으로 배기가스 농도와, 온도를 측정함으로써 탄소의 산화반응속도식을 통한 수트의 산화 속도를 계산하여 발생량과 수트의 산화속도의 밸런스를 통하여 잔류하는 수트의 양을 산출할 수 있다.
또한, 센서에 의해 직접적으로 산출하는 방법은 GPF(140)의 전단 및 후단의 압력차를 측정하는 차압 센서를 통해 수트가 퇴적 될 때 발생하는 차압의 증가분과 수트의 퇴적량과의 관계를 특정지어 수트 퇴적량을 측정할 수 있다.
또한, GPF(140)에 라디오 프리퀀시(Radio frequency)의 특정 주파수를 주사하여, 기본 GPF(140)의 고유 주파수와 수트가 퇴적되었을 때 왜곡되는 주파수를 분석하여 퇴적된 수트량을 측정할 수 있다.
또한, 통계적인 기법으로 산출하는 방법은 차량의 운전패턴에 따른 차량 속도, 기어 단수, 배기가스 온도 등에 따른 운전점을 분리하고, 각각의 운전점에 발생하는 수트량의 무게를 실측하여 차량의 운전점에 따른 수트의 증가 기울기를 구한다. 그리고, 차량의 운전점 모니터링에 따른 수트의 증가 및 감소 기울기를 누적한 통계를 활용하여 수트량을 측정할 수 있다.
배기가스 후처리 시스템(100)은 퇴적된 수트량이 많을수록 산화반응에 의한 발열량이 증가하여 GPF(140)의 내부온도 상승 속도가 빨라지기 때문에 상기 퇴적된 수트량이 많을수록 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO)을 점차적으로 짧게 조정할 수 있다.
한편, 도 5는 본 발명의 제1 추가 실시 예에 따른 퇴적된 수트량에 따른 상기 퓨얼컷 유지시간 변경결과를 나타낸다.
첨부된 도 5를 참조하면, GPF(140)의 배기가스 입구온도가 700℃로 동일하고, 동일한 무게의 수트량이 퇴적된 조건에서 산소가 20%가 공급되는 퓨얼컷 조건이 형성된 경우 나타나는 GPF(140) 내부의 온도 패턴을 보여준다.
도 5와 같이 150초 동안의 장시간 퓨얼컷(Long-Fuel Cut) 제어를 유지한 경우에는 GPF(140)의 내부 온도가 급격하게 상승하여 약 1180℃까지 상승되었다. 그러나, 위와 같은 조건에서 10초의 짧은 간격으로 퓨얼컷(Shrot-Fuel cut)을 제한 한 경우, GPF(140)의 내부 온도가 약 750℃ 상승에서 하락 전환하는 것을 확인 할 수 있다.
그리고, 위와 같이 150초 동안 1회의 장시간 퓨얼컷 제어를 수행한 재생효율과 10초씩 15회로 짧게 퓨얼컷 제어를 수행한 재생효율을 비교한 결과 각각 86.4%와 87.1%로 동일한 수준의 결과가 나타났으며, 짧게 퓨얼컷을 진입 할 경우 GPF(140)의 내부온도 상승을 억제 할 수 있는 효과가 있음을 확인하였다.
또한, 제어기(160)는 GPF(140)에 퇴적된 수트량 따른 상기 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO)이 변경되도록 설정함에 있어서, 퇴적된 수트량이 일정하한 범위 미만으로 감소된 상태에서는 퓨얼컷 최대유지시간(Maximum time_limit_FCO)을 설정할 수 있다.
또한, 위와 반대로 GPF(140)에 퇴적된 수트량이 일정상한 범위 이상으로 증가된 상태에서는 퓨얼컷 유지시간이 "0"으로 설정되고, 상기 퓨얼컷 유지시간이 "0"인 상태에서는 운전정보가 퓨얼컷 진입조건을 충족하더라도 퓨얼컷 진입을 제한할 수 있다.
[제2 추가 실시예]
또한, 본 발명의 제2 추가 실시 예에 따르면, 제어기(160)는 상기 퓨얼컷 유지시간(time_limit_FCO)을 설정 및 제어함에 있어, 상기 퓨얼컷 유지시간을 설정하는 인자로 GPF(140) 내부에 퇴적된 수트량과 배기가스 온도의 상호 작용을 고려한 복합적 제어방법을 적용할 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 추가 실시 예에 따른 복합적 제어방식을 도출하기 위한 GPF의 내부온도 측정한 결과를 나타낸다.
첨부된 도 6을 참조하면, GPF(140)에 7g의 수트량이 퇴적된 동일한 조건에서 유입되는 배기가스의 입구온도가 다를 때 각각 나타나는 GPF(140)의 내부 온도를 측정한 결과를 보여준다.
GPF(140)의 입구온도가 600~700℃에서 퓨얼컷 유지시간을 10초씩 제한한 경우, 급격한 상승이 나타나지 않았으나, GPF(140)의 입구온도 750℃ 조건에서는 초기에 급격한 온도상승이 나타났다. 그리고, 상기 750℃ 조건의 경우 퓨얼컷 유지시간을 10초에서 6초로 단축한 경우 온도 상승 억제 효과가 나타남을 확인 수 있다.
따라서, 배기가스 후처리 시스템(100)이 퓨얼컷 유지시간을 GPF(140)의 입구온도에 따른 조건으로 설정하되, 상기 급격한 온도상승이 나타나는 특정 온도조건(예; 750℃)에서는 수트량 조건으로 설정되는 기준 퓨얼컷 유지시간(예; 10)에 비해 짧게 단축된 퓨얼컷 유지시간(예; 6초)을 설정할 수 있다. 따라서, GPF(140)의 급격한 내부온도 상승을 억제함으로써 내구한계 조건 내에서의 퓨얼컷 제어 및 수트 재생 제어가 가능하고 필터의 손상을 방지할 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하기 위한 프로그램, 그 프로그램이 기록된 기록 매체 등을 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 배기가스 후처리 시스템
110: 엔진
120: 배기관
130: 촉매 컨버터
140: 가솔린 매연저감필터(GPF)
141: 입구온도센서
142: 출구온도센서
150: 운전정보 검출기
160: 제어기

Claims (20)

  1. 가솔린 엔진에서 배출되는 배기가스의 입자상 물질을 포집하는 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF);
    상기 GPF의 전단에 배치되어 상기 GPF에 유입되는 배기가스의 입구온도를 측정하는 입구온도센서와 상기 GPF의 후단에 배치되어 상기 GPF에서 배출되는 배기가스의 출구온도를 측정하는 출구온도센서;
    상기 엔진의 퓨얼컷 제어조건을 판단하기 위한 차량의 운전정보를 검출하는 운전정보 검출기; 및
    상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하면 퓨얼컷 모드로 진입하여 상기 배기가스의 입구온도에 따라 설정된 퓨얼컷 유지시간 동안 상기 퓨얼컷 모드를 유지한 후 해제하여 상기 엔진을 이론 공연비 상태로 제어하고, 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간 이내에는 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하더라도 상기 퓨얼컷 모드로의 재진입을 제한하는 제어기;를 포함하되,
    상기 제어기는 상기 퓨얼컷 모드의 해제 시 GPF 내부에서의 수트 산화반응에 따른 내부온도가 반영된 상기 GPF의 출구온도를 기준으로 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간이 변동되도록 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 퓨얼컷 유지시간을 상기 GPF에 유입되는 배기가스의 입구온도에 따라 변동되도록 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 GPF의 입구온도가 상기 GPF의 급격한 내부온도 상승을 유발하는 일정 위험온도를 초과하여 높을수록 상기 퓨얼컷 유지시간을 짧게 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 GPF의 입구온도가 상기 GPF의 내구한계 온도에 근접한 한계치에 도달하면 상기 퓨얼컷 유지시간을 "0"으로 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 GPF의 입구온도가 상기 위험온도 미만의 안전한 온도영역에서는 상기 퓨얼컷 유지시간을 최대유지시간으로 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 퓨얼컷 유지시간에 따른 상기 퓨얼컷 모드가 해제된 이후에 상기 GPF가 안전한 온도영역으로 식을 수 있도록 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 GPF의 입구온도가 상기 GPF의 급격한 온도 상승을 유발하는 일정 위험온도를 초과하여 높을수록 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 길게 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 GPF의 출구온도가 소정 온도 이하의 안전한 온도영역으로 낮아지면 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 "0"으로 리셋하는 배기가스 후처리 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 운전정보에 따른 운전점에 투입된 연료량과 공기량에 따라 발생되는 배기가스 온도를 맵핑하고, 촉매 컨버터를 지나면서 산화반응을 통해 상승하는 온도를 산화반응식으로 계산하여 보정한 후 상기 GPF의 입구까지 도달하는 배기가스 유량을 고려한 열손실량을 보정한 모델링 값을 통해 GPF의 입구온도를 예측하고,
    상기 입구온도의 모델링 값을 기준으로 상기 GPF가 가지고 있는 열용량에 따른 온도변화와 퇴적된 수트의 산화에 의해 발생하는 발열온도를 계산하여 GPF의 출구온도를 예측하는 배기가스 후처리 시스템.
  12. 가솔린 엔진 차량의 배기가스 후처리 제어 방법에 있어서,
    a) 이론 공연비 운전으로 제어 중인 가솔린 엔진에서 배출되는 배기가스의 입자상 물질을 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF)를 통해 포집하는 단계;
    b) 차량의 운전정보를 수집하여 퓨얼컷 진입 조건을 충족하면 퓨얼컷 모드로 진입하되, 상기 배기가스의 온도에 따른 퓨얼컷 유지시간 및 퓨얼컷 재진입 제한시간 중 적어도 하나를 설정하는 단계;
    c) 상기 퓨얼컷 유지시간 동안 상기 퓨얼컷 모드를 유지한 후 해제하여 상기 이론 공연비 운전을 재개하는 단계; 및
    d) 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하더라도 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간 이내에는 상기 퓨얼컷 모드로의 재진입을 제한하는 단계;를 포함하며,
    상기 c) 단계는, 상기 퓨얼컷 모드의 해제 시 상기 GPF의 후단에 배치된 출구온도센서를 통해 측정된 GPF 내부에서의 수트 산화반응에 따른 내부온도가 반영된 상기 GPF의 출구온도를 기준으로 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간이 변동되도록 설정하는 배기가스 후처리 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    차량의 시동 후 처음으로 퓨얼컷 진입조건을 충족하거나 직전의 퓨얼컷 모드 해제 시점으로부터 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간이 흐른 경우 상기 퓨얼컷 모드로 진입을 허가하는 배기가스 후처리 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 GPF의 입구온도가 GPF의 급격한 온도 상승을 유발하는 일정 위험온도를 초과하여 높을수록 상기 퓨얼컷 유지시간을 짧게 설정하는 단계를 포함하는 배기가스 후처리 방법.
  15. 제12항 또는 제14항에 있어서,
    상기 GPF의 입구온도가 일정 위험온도 미만의 안전한 온도영역에서는 상기 상기 퓨얼컷 유지시간을 최대유지시간으로 설정하는 배기가스 후처리 방법.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 배기가스의 온도가 상기 GPF의 내구한계 온도에 가깝게 증가할 수록 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 길게 설정하는 배기가스 후처리 방법.
  17. 제12항 또는 16 항에 있어서,
    상기 b) 단계는,
    상기 배기가스의 온도가 일정 위험온도 미만의 안전한 온도영역에서는 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간을 "0"으로 설정하는 단계를 포함하는 배기가스 후처리 방법.
  18. 가솔린 엔진에서 배출되는 배기가스의 입자상 물질을 포집하는 가솔린 매연저감필터(Gasoline Particulate Filter, GPF);
    상기 GPF의 전단에 배치되어 상기 GPF에 유입되는 배기가스의 입구온도를 측정하는 입구온도센서와 상기 GPF의 후단에 배치되어 상기 GPF에서 배출되는 배기가스의 출구온도를 측정하는 출구온도센서;
    상기 엔진의 퓨얼컷 제어조건을 판단하기 위한 차량의 운전정보를 검출하는 운전정보 검출기; 및
    상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하면 퓨얼컷 모드로 진입하여 상기 GPF 내부에 입자상 물질이 포집된 수트량에 따라 설정된 퓨얼컷 유지시간 동안 상기 퓨얼컷 모드를 유지한 후 해제하여 상기 엔진을 이론 공연비 상태로 제어하고, 설정된 퓨얼컷 재진입 제한시간 이내에는 상기 운전정보가 퓨얼컷 제어조건을 충족하더라도 상기 퓨얼컷 모드로의 재진입을 제한하는 제어기;를 포함하되,
    상기 제어기는 상기 퓨얼컷 모드의 해제 시 GPF 내부에서의 수트 산화반응에 따른 내부온도가 반영된 상기 GPF의 출구온도를 기준으로 상기 퓨얼컷 재진입 제한시간이 변동되도록 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 제어기는
    상기 수트량이 많을수록 상기 퓨얼컷 유지시간을 점차적으로 짧게 조정하는 배기가스 후처리 시스템.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제어기는
    급격한 온도상승이 나타나는 특정 GPF의 입구온도 조건에서는 상기 수트량에 따라 설정된 기준 퓨얼컷 유지시간에 비해 짧게 단축된 퓨얼컷 유지시간을 설정하는 배기가스 후처리 시스템.
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