KR102529510B1 - 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템 - Google Patents

가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가솔린 미립자 필터의 수트(soot) 연소율을 보다 정밀하게 예측하여 수트 재생을 효율적으로 제어하기 위한 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 가솔린 미립자 필터의 수트(soot) 연소율을 예측 제어함에 있어 외기온도에 따른 필터 온도의 변동을 고려하여 수트 연소율을 예측함으로써 수트 연소율의 예측 정밀도를 향상하고 가솔린 미립자 필터의 품질을 개선할 수 있는 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

Description

가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템 {Method and system for calculating Soot burning rate of Gasoline Particulate Filter}
본 발명은 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 가솔린 미립자 필터의 수트(soot) 연소율을 보다 정밀하게 예측하여 수트 재생을 효율적으로 제어하기 위한 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템에 관한 것이다.
최근 고출력, 고효율화의 경향에 따라 연료를 직접 연소실 내부로 분사하는 GDI(Gasoline Direct Injection) 방식의 가솔린 엔진에 대한 연구가 진행되고 있다.
GDI 타입의 가솔린 엔진은 연료를 연소실에 직접 분사하여 고효율의 연소가 가능하며 출력향상을 만족시킬 수 있는 이점이 있으나, 연소실내 불완전 연소 구간의 증가에 따라 배기가스에 수트(soot)가 포함된 입자상 물질(PM)이 크게 증가하는 문제점이 있다.
이에 수트가 포함된 입자상 물질을 정화하기 위해 가솔린 미립자 필터(GPF, Gasoline Particulate Filter)가 적용되고 있다.
통상 가솔린 미립자 필터는 차량의 배기라인에 설치되어 엔진으로부터 배출된 배기가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 일정량 이상의 입자상 물질이 퇴적되면 수트가 포함된 입자상 물질을 연소시켜 재생되며, 필터 재생 시에는 입자상 물질이 연소되는 온도로 배기가스의 배출 온도를 상승시킴으로써 자연연소에 의해 재생되도록 한다.
이러한 가솔린 미립자 필터는 수트가 포함된 입자상 물질의 연소 시에 실측값이 아니라 모델값에 의해 수트 연소율을 예측하고 제어한다.
종래 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 모델은 배기온도, 배기유량, 산소량, 초기 수트 포집량에 따라 수트 연소율(연소량)을 결정하도록 구축된다. 상기 수트 연소율 모델은 수트가 연소되는 조건, 예를 들어 엔진 연소실내 연료 분사가 중단되는 연료 컷(cut) 시점에서의 배기온도, 배기유량, 산소량, 초기 수트량에 기초하여 수트 연소율(mg/s)을 결정하며, 상기 수트 연소율에 연료 컷 시간을 승산하여 수트 연소량을 결정한다.
이와 같이 종래 가솔린 미립자 필터는 연소실내 연료 분사가 중단되는 시점에 가솔린 미립자 필터로 유입되는 배기가스 온도 등을 기초로 수트 연소율을 결정하는데, 연료 분사가 중단되는 경우 외기온도가 낮을수록 필터 온도가 외기온도에 의해 급격히 하강하게 되고 그에 따라 실제 수트 연소율이 감소하게 된다.
그러나, 종래의 수트 연소율 모델은 외기온도를 고려하지 않고 수트 연소율을 예측하기 때문에 필터의 실제 수트 연소율과 수트 연소율 모델을 이용하여 예측한 값(예측 수트 연소율) 간에 차이가 발생하게 된다.
상기 수트 연소율 모델의 예측값(예측 수트 연소율)이 실측값(실제 수트 연소율)보다 작은 경우 수트 연소 시에 가솔린 미립자 필터가 고온에 불필요하게 노출되어 파손되거나 과다 수트에 의해 필터 막힘의 문제가 발생하며, 예측값이 실측값보다 큰 경우 필터의 잦은 강제 재생이 발생하여 연비 악화 및 사용자 불만이 초래된다.
공개특허 제10-2014-0078864호
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 가솔린 미립자 필터의 수트(soot) 연소율을 예측 제어함에 있어 외기온도에 따른 필터 온도의 변동을 고려하여 수트 연소율을 예측함으로써 수트 연소율의 예측 정밀도를 향상하고 가솔린 미립자 필터의 품질을 개선할 수 있는 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템을 제공하는데 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 엔진 배기가스에 포함된 수트의 연소율을 결정하기 위한 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법으로서,
수트의 연소를 시작할 수 있는 조건이 만족될 때에, 상기 필터의 온도 및 산소량을 기반으로 기본 수트 연소율을 결정하고, 상기 필터의 초기 수트 포집량에 따른 수트 연소율 인자와 외기온도에 따른 외기온도 인자를 기초로 상기 기본 수트 연소율을 보정하여 예측 수트 연소율을 산출하는 것을 특징으로 하는 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법을 제공한다. 상기 예측 수트 연소율은 주행 중 엔진 연소실내 연료 분사가 중단되는 시점에 구해지는 필터의 온도와 산소량과 초기 수트 포집량 및 외기온도를 이용하여 산출할 수 있다.
또한 본 발명에서는, 엔진 배기가스에 포함된 수트의 연소율을 결정하기 위한 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 시스템으로서,
상기 필터의 온도 및 산소량에 따른 기본 수트 연소율을 결정하는 수트 연소율 결정부; 수트의 연소를 시작할 수 있는 조건이 만족될 때에, 상기 필터의 초기 수트 포집량에 따른 수트 연소율 인자와 외기온도에 따른 외기온도 인자를 기초로 상기 기본 수트 연소율을 보정하는 수트 연소율 보정부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 시스템도 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 상기 수트 연소율 보정부는, 연료 컷 시 가솔린 미립자 필터의 초기 수트 포집량에 따른 수트 연소율 인자를 결정하는 수트 연소율 인자 결정부; 연료 컷 시의 외기온도에 따른 외기온도 인자를 결정하는 외기온도 인자 결정부; 및 상기 수트 연소율 인자와 외기온도 인자 및 상기 기본 수트 연소율을 기초로 상기 기본 수트 연소율을 보정한 값으로서 예측 수트 연소율을 산출하는 예측 수트 연소율 산출부;로 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 엔진 배기가스의 온도 및 유량 등에 따라 달라지는 가솔린 미립자 필터의 온도와 산소량 및 초기 수트 포집량과 더불어 연료 컷 시의 외기온도를 고려하여 수트 연소율을 예측 제어함으로써 외기온도에 따른 필터 온도의 변동을 고려하여 수트 연소율을 예측할 수 있으며, 그에 따라 수트 연소율의 예측 정밀도 및 제어 정밀도를 향상할 수 있고, 또한 수트 연소율의 예측 오차로 인한 가솔린 미립자 필터의 품질저하를 저감할 수 있으며, 아울러 수트 연소율의 정밀도 향상으로 인해 필터의 불필요한 고온 노출 및 잦은 강제 재생을 방지하고 필터 재생 효율을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법을 나타낸 개념도
도 2는 본 발명에 따른 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 시스템을 나타낸 구성도
도 3은 가솔린 미립자 필터의 입구에서 측정한 배기가스의 외기온도에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프
도 4는 연료 컷 시의 외기온도에 따른 가솔린 미립자 필터내 잔존 연소량을 나타낸 그래프
일반적으로 엔진 배기가스에 포함된 수트의 연소에 미치는 인자는 배기가스의 온도 및 유량, 가솔린 미립자 필터의 산소량 및 초기 수트 포집량(연소 직전 수트량)이다.
아래 수트 연소 반응식에서 보듯이, 수트의 연소 속도(-dmc/dt)는 배기가스의 온도, 산소량, 초기 수트 포집량의 함수로서 나타낼 수 있고, 이에 따라 수트 연소에 영향을 미치는 인자는 배기가스 온도, 산소량, 초기 수트 포집량 등이 있음을 알 수 있다.
Figure 112018050797461-pat00001
여기서, 상기 A는 수트의 반응계수이고, Ea는 수트의 활성화에너지이고, T는 배기가스 온도이고, Po2는 필터내 산소농도이고, mc는 필터내 수트 포집량이고, R은 기체상수이다.
도 3은 차량의 배기라인에 설치된 가솔린 미립자 필터의 입구에서 측정한 배기가스의 외기온도에 따른 온도 변화를 나타낸 그래프이고, 도 4는 엔진의 연료 분사가 중단되는 연료 컷 시의 외기온도에 따른 필터내 잔존 수트량을 나타낸 그래프이다.
도 3을 보면 수트 연소를 위한 연료 컷 시의 배기가스 온도가 외기온도의 조건에 따른 큰 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 도 4를 보면 상기 연료 컷 시의 필터내 잔존 수트량(수트 연소량) 또한 외기온도 값에 따라 큰 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이 연료 컷 시 가솔린 미립자 필터 입구에서의 배기가스 온도가 외기온도에 따라 큰 차이를 보이기 때문에, 가솔린 미립자 필터의 온도 및 수트 연소량(수트 연소율) 또한 배기온도뿐 아니라 외기온도에도 영향을 받게 되며, 따라서 상기 수트 연소율의 예측 시 보다 정밀한 산출을 위해 배기온도와 함께 외기온도도 고려하여 수트 연소율을 예측하는 것이 필요하다.
이에 본 발명에서는 가솔린 미립자 필터의 수트(soot) 연소율을 예측하여 산출할 때 외기온도에 따른 필터 온도의 변동을 고려하여 수트 연소율(예측 수트 연소율)을 산출함으로써 수트 연소율의 예측 정밀도를 향상하고 가솔린 미립자 필터의 품질을 개선할 수 있도록 한다.
첨부한 도 1은 본 발명에 따른 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법을 나타낸 개념도이다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는 엔진 배기가스에 포함된 수트의 연소율을 산출 결정함에 있어서, 상기 수트의 연소를 시작할 수 있는 조건이 만족될 때에 가솔린 미립자 필터의 온도 및 산소량을 기반으로 기본 수트 연소율을 결정하고, 수트 연소율 인자(factor)와 외기온도 인자(factor)를 기초로 상기 기본 수트 연소율을 보정하여 예측 수트 연소율을 산출한다.
예를 들어, 상기 가솔린 미립자 필터는 주행 중 엔진 연소실내에 연료 분사가 중단되는 연료 컷(cut) 시점에 필터의 온도가 수트를 연소시킬 수 있을만큼 높고(예를 들어, 600℃ 이상) 과량의 산소(공기)가 공급되므로 수트 연소가 가능하게 되며, 따라서 상기 연료 컷이 발생하는 때에 수트의 연소를 시작할 수 있게 된다.
상기 가솔린 미립자 필터의 온도 및 산소량은 연료 컷 시에 필터 입구에서 측정되는 온도값과 산소량값이 사용되며, 상기 필터의 온도와 산소량은 배기가스의 온도와 유량 및 외기온도 등에 따라 실시간으로 달라질 수 있다.
그리고, 상기 기본 수트 연소율은 연료 컷 시의 필터 온도 및 필터내 산소량에 따라 결정할 수 있으며, 사전 구축된 수트 연소율 맵을 이용하여 결정할 수 있다. 상기 수트 연소율 맵은 필터의 온도 및 산소량에 따라 기본 수트 연소율을 결정할 수 있도록 구성되며, 연료 컷 시에 상기 예측 수트 연소율을 산출하기 위한 수트 연소율 모델이 저장되는 차량내 제어기(예를 들어, 엔진 제어기 등)에 저장될 수 있다.
상기 수트 연소율 인자는 가솔린 미립자 필터의 초기 수트 포집량(연소 직전 수트 포집량)을 기초로 결정될 수 있으며, 사전 구축된 수트 연소율 인자 맵을 이용하여 결정하거나 또는 사전 도출된 수식을 통해 산출할 수 있다. 이때 상기 수트 연소율 인자 맵 및 수식은 초기 수트 포집량을 기반으로 수트 연소율 인자를 결정할 수 있도록 구성된다. 상기 초기 수트 포집량은 연료 컷 시에 가솔린 미립자 필터내에 포집되어 있는 수트량(엔진 연소실내 연료 분사가 중단될 때까지 가솔린 미립자 필터에 포집된 연소 직전의 수트 포집량)으로서, 사전 구축된 수트 포집량 맵을 통해 결정되거나 또는 사전 도출된 수식을 통해 산출할 수 있다. 이때 상기 수트 포집량 맵 및 수식은 연료 컷 시의 엔진 속도와 부하, 엔진 냉각수 온도, 공연비 등을 기반으로 초기 수트 포집량을 결정할 수 있도록 구성된다.
상기 외기온도 인자는 연료 컷 시의 외기온도에 따라 결정될 수 있으며, 사전 구축된 외기온도 인자 맵을 통해 결정되거나 또는 사전 도출된 수식을 통해 산출할 수 있다. 이때 상기 외기온도 인자 맵 및 수식은 외기온도 값을 기반으로 외기온도 인자를 결정할 수 있도록 구성되며, 상기 외기온도 값은 연료 컷 시 외기온도 센서를 통해 측정된다. 상기 외기온도 인자는 외기온도의 상승에 따라 증가되어 상대적으로 큰 값이 된다.
상기와 같이 엔진 연소실의 연료 컷 시에, 가솔린 미립자 필터의 온도 및 산소량에 따라 기본 수트 연소율을 결정하고, 상기 필터의 초기 수트 포집량에 따라 수트 연소율 인자를 결정하고, 실시간 외기온도에 따라 외기온도 인자를 결정하며, 상기 결정한 기본 수트 연소율에 상기 수트 연소율 인자와 외기온도 인자를 승산(乘算)하여 상기 기본 수트 연소율을 보정한 값으로서 예측 수트 연소율을 산출 결정한다(아래 식 1 참조).
식 1 : 예측 수트 연소율 = 기본 수트 연소율 × 수트 연소율 인자 × 외기온도 인자
다시 말해, 상기 예측 수트 연소율은 주행 중 엔진 연소실내 연료 분사가 중단되는 시점(예를 들어, 타행주행 시 등)에 구해지는 가솔린 미립자 필터의 온도와 산소량과 초기 수트 포집량 및 외기온도의 값을 이용하여 산출할 수 있다.
상기의 예측 수트 연소율은 사전 구축된 수트 연소율 모델을 통해 산출할 수 있다.
상기 수트 연소율 모델은 기본 수트 연소율과 수트 연소율 인자 및 외기온도 인자를 기반으로 연료 컷 시의 예측 수트 연소율을 결정할 수 있도록 사전 구축되어 차량내 제어기(예를 들어, 엔진 제어기 등)에 저장될 수 있으며, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 기본 수트 연소율을 결정하기 위한 수트 연소율 결정부(10) 및 상기 수트 연소율 인자와 외기온도 인자를 기초로 상기 기본 수트 연소율을 보정하기 위한 수트 연소율 보정부(20)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 수트 연소율 결정부(10)는 수트 연소율 맵을 이용하여 기본 수트 연소율을 산출할 수 있는 것으로서, 상기 수트 연소율 맵은 가솔린 미립자 필터의 온도 및 산소량을 기반으로 기본 수트 연소율을 결정할 수 있도록 사전 구축되며, 상기 필터의 온도 및 산소량 값을 센서에서 입력받아 가솔린 미립자 필터의 기본 수트 연소율을 결정할 수 있다.
상기 수트 연소율 보정부(20)는 연료 컷 시의 수트 연소율 인자와 외기온도 인자를 이용하여 기본 수트 연소율을 보정하고 예측 수트 연소율을 결정하는 것으로서, 도 2에 보듯이, 연료 컷 시의 초기 수트 포집량에 따른 상기 수트 연소율 인자를 결정하는 수트 연소율 인자 결정부(22)와, 연료 컷 시의 외기온도에 따른 상기 외기온도 인자를 결정하는 외기온도 인자 결정부(24), 및 상기 수트 연소율 인자와 외기온도 인자를 이용하여 상기 기본 수트 연소율을 보정한 값으로서 예측 수트 연소율을 산출할 수 있는 예측 수트 연소율 산출부(26)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 수트 연소율 인자 결정부(22)는 기본 수트 연소율의 보정을 위한 수트 연소율 인자를 결정하는 것으로서, 가솔린 미립자 필터의 초기 수트 포집량에 따라 수트 연소율 인자를 결정할 수 있도록 구축된 수트 연소율 인자 맵을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 외기온도 인자 결정부(24)는 상기 기본 수트 연소율의 보정을 위한 외기온도 인자를 결정하는 것으로서, 연료 컷 시의 외기온도에 따라 외기온도 인자를 결정할 수 있도록 구축된 외기온도 인자 맵을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 예측 수트 연소율 산출부(26)는 상기 수트 연소율 인자 결정부(22)에서 입력되는 수트 연소율 인자와, 상기 외기온도 인자 결정부(24)에서 입력되는 외기온도 인자, 및 상기 수트 연소율 결정부(10)에서 입력되는 기본 수트 연소율을 승산(乘算)한 값으로서, 예측 수트 연소율을 산출하여 결정한다(위의 식 1 참조).
이와 같이 본 발명에서는 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율(mg/s)을 예측하여 산출함에 있어서 외기온도에 따른 필터의 온도 변동을 고려하여 수트 연소율(예측 수트 연소율)을 결정할 수 있도록 수트 연소율 모델을 구축하고 이렇게 구축한 수트 연소율 모델을 이용하여 예측 수트 연소율을 산출함으로써, 외기온도에 따른 필터 온도의 변동을 고려하여 가솔린 미립자 필터의 예측 수트 연소율을 결정할 수 있으며, 그에 따라 예측 수트 연소율의 예측 정밀도 및 제어 정밀도를 향상할 수 있고, 또한 수트 연소율의 예측 오차로 인한 가솔린 미립자 필터의 품질저하를 저감할 수 있으며, 아울러 수트 연소율의 정밀도 향상으로 인해 가솔린 미립자 필터의 수동(passive) 연소 시 필터의 불필요한 고온 노출 및 잦은 강제 재생을 방지하고 필터 재생 효율을 확보할 수 있다.
또한 본 발명에서는 배기가스의 온도 및 필터내 누적 산소량에 따라 엔진 연소실내 연료 분사의 중단을 제한하는 경우에도 불필요한 고온 노출을 방지하고 필터 재생 효율을 확보할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
10 : 수트 연소율 결정부
20 : 수트 연소율 보정부
22 : 수트 연소율 인자 결정부
24 : 외기온도 인자 결정부
26 : 예측 수트 연소율 산출부

Claims (5)

  1. 엔진 배기가스에 포함된 수트의 연소율을 결정하기 위한 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법으로서,
    상기 필터의 온도 및 산소량을 기반으로 기본 수트 연소율을 결정하고, 상기 필터의 초기 수트 포집량에 따른 수트 연소율 인자와 외기온도에 따른 외기온도 인자를 기초로 상기 기본 수트 연소율을 보정하여 예측 수트 연소율을 산출하며,
    상기 예측 수트 연소율은 주행 중 엔진 연소실내 연료 분사가 중단되는 시점에 구해지는 필터의 온도와 산소량과 초기 수트 포집량 및 외기온도를 이용하여 산출하는 것을 특징으로 하는 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 예측 수트 연소율은 기본 수트 연소율에 수트 연소율 인자와 외기온도 인자를 승산한 값으로서 결정하는 것을 특징으로 하는 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법.
    예측 수트 연소율 = 기본 수트 연소율 × 수트 연소율 인자 × 외기온도 인자
  3. 삭제
  4. 엔진 배기가스에 포함된 수트의 연소율을 결정하기 위한 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 시스템으로서,
    상기 필터의 온도 및 산소량에 따른 기본 수트 연소율을 결정하는 수트 연소율 결정부;
    상기 필터의 초기 수트 포집량에 따른 수트 연소율 인자와 외기온도에 따른 외기온도 인자를 기초로 상기 기본 수트 연소율을 보정하는 수트 연소율 보정부;
    를 포함하며,
    상기 수트 연소율 보정부는,
    연료 컷 시 가솔린 미립자 필터의 초기 수트 포집량에 따른 수트 연소율 인자를 결정하는 수트 연소율 인자 결정부;
    연료 컷 시의 외기온도에 따른 외기온도 인자를 결정하는 외기온도 인자 결정부; 및
    상기 수트 연소율 인자와 외기온도 인자를 기초로 상기 기본 수트 연소율을 보정한 값으로서 예측 수트 연소율을 산출하는 예측 수트 연소율 산출부;
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 시스템.
  5. 삭제
KR1020180058728A 2018-05-24 2018-05-24 가솔린 미립자 필터의 수트 연소율 산출 방법 및 시스템 KR102529510B1 (ko)

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