KR20060117363A - 내연기관의 배기정화장치용 재생제어장치 - Google Patents

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Abstract

가열공정이 수행되는 빈도를 증가시키지 않고도, 대량의 입자상물질이 갑작스럽게 연소되는 것을 방지하기 위한 재생제어장치에 관한 것이다. 상기 재생제어장치는, 추정된 축적량이 기준 축적량보다 큰 경우, 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질을 제거하도록 배기정화장치를 가열하기 위한 ECU(70)를 포함한다. 상기 ECU(70)는 상기 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질의 양을 추정하여 추정된 축적량을 획득한다. 나아가, 상기 EUC(70)는 상기 재생제어장치가 가열되어 추정된 축적량이 모드변경범위 내에 있는 경우, 배기정화장치를 가열하기 위한 모드들을 변경시킨다.

Description

내연기관의 배기정화장치용 재생제어장치{REGENERATION CONTROLLER FOR EXHAUST PURIFICATION APPARATUS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINE}
본 발명은 배기정화장치 내에 축적되는 입자상물질(particulate matter)을 가열 및 제거하는 재생제어장치에 관한 것으로, 상기 정화장치는 내연기관의 배기시스템에 배치되어 있다.
일본특허공개공보 제2002-22768호 및 제2003-20930호에는 디젤엔진의 배기시스템에 배치되는 필터 내에 대량의 입자상물질(PM)이 축적될 때 사용되는 기술이 개시되어 있다. 이 경우, 배기의 공연비(air-fuel ratio)는 상기 필터를 가열하도록 풍부 상태(rich state)와 희박 상태(lean state) 사이에서 반복적으로 조정되어, 상기 필터 내의 입자상물질을 연소시킨다.
하지만, 만일 상기 배기의 공연비가 대량의 입자상물질이 상기 필터 내에 축적될 때 풍부 상태와 희박 상태 사이에서 반복적으로 조정된다면, 대량의 입자상물질이 갑작스럽게 연소될 것이다. 이는 필터의 과열 및 열적 열화(thermal deterioration)를 유발할 수도 있다.
대량의 입자상물질을 연소할 때 과열을 막기 위해서는, 입자상물질을 소량으로 연소시키기 위하여, 상기 필터 내에 축적되는 입자상물질의 양이 비교적 적은 경우에 상기 필터가 가열될 수도 있다. 하지만, 이는 필터 가열의 빈도를 증가시킬 것이다. 따라서, 공연비를 풍성하게 하는데 사용되는 연료 소비가 증가하고, 이에 따라 연료 효율이 떨어지게 된다.
또다른 기술에서는, 배기의 공연비가 비교적 낮을 때(예컨대, 공연비가 화학양론적 공연비보다 약간 클 때) 입자상물질이 천천히 연소된다. 엔진의 상태가 변하고 있을 때, 또는 입자상물질의 축적이 고르지 못할 때에는, 축적된 입자상물질의 양을 나타내는 검출값 또는 추정값에서 에러들이 있을 수도 있다. 이에 따라, 상기 필터의 가열은 입자상물질이 상기 필터로부터 아직도 완전히 제거되지 않을 때 종료될 수도 있다. 이러한 입자상물질의 잔류량은 대량의 입자상물질의 갑작스런 연소를 유발시키고, 이에 따라 필터의 과열을 유발할 수도 있다.
본 발명의 목적은 가열의 빈도를 늘리지 않고도 대량의 입자상물질이 갑작스럽게 연소되는 것을 방지하는 것이다.
본 발명의 일 실시형태는, 내연기관의 배기시스템에 배치되는 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질을 제거하기 위한 재생제어장치이다. 상기 재생제어장치는 추정된 축적량이 기준 축적량보다 클 때, 상기 배기정화장치 내에 축적된 상기 입자상물질을 제거하도록 상기 배기정화장치를 가열하기 위한 가열부를 포함한다. 상기 가열부는 상기 추정된 축적량을 상기 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질의 양을 추정하여 획득한다. 모드변경부는 상기 추정된 축적량이 모드변경범위 이내에 있다면, 상기 정화장치를 가열할 때 배기정화장치의 가열모드들을 변경한다.
본 발명의 또다른 실시형태는, 내연기관의 배기시스템에 배치되는 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질을 제거하는 방법이다. 상기 방법은 추정된 축적량을 획득하기 위해 상기 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질의 양을 추정하는 단계, 상기 추정된 축적량이 기준 축적량보다 큰 지의 여부를 판정하는 단계, 상기 추정된 축적량이 상기 기준 축적량보다 클 때 연료를 배기에 부가하는 단계, 상기 추정된 축적량이, 상기 기준 축적량보다 작은 결정값보다 작거나 같은 지의 여부를 판정하는 단계, 및 상기 추정된 축적량이 상기 결정값보다 작거나 같을 때 연료를 상기 배기에 간헐적으로 부가하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 기타 실시형태들과 장점들은, 예시의 방법을 통하여 본 발명의 원리들을 예시하는 첨부 도면들과 연계하여 후술하는 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 그 목적 및 장점들과 함께, 첨부 도면들과 연계하여 본 발명의 바람직한 실시예들의 후술하는 설명을 참조하여 가장 잘 이해할 수 있다:
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 차량디젤엔진의 제어시스템을 도시한 개략도;
도 2는 도 1에 도시된 ECU에 의해 수행되는 재생모드실행결정을 도시한 흐름도;
도 3은 도 1의 ECU에 의해 수행되는 재생제어를 도시한 흐름도;
도 4는 도 1의 ECU에 의해 수행되는 연료부가공정을 도시한 흐름도;
도 5 내지 도 11은 제1실시예의 재생제어의 예시들을 도시한 타이밍차트; 및
도 12는 본 발명의 제3실시예에 따른 배기정화장치를 도시한 개략도이다.
이하, 본 발명의 제1실시예에 따른 내연기관의 배기정화장치용 재생제어장치를 설명한다. 도 1은 차량디젤엔진에 적용되는 재생제어장치를 포함하는 제어시스템의 개략도이다. 본 발명의 재생제어장치의 적용예가 디젤엔진으로 국한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 재생제어장치는 린번가솔린엔진(lean-burn gasoline engine)에도 적용가능하다.
디젤엔진(2)은 제1실린더 내지 제4실린더(#1, #2, #3, #4)를 포함하는 복수의 실린더를 포함한다. 각각의 실린더(#1 내지 #4)에 있어서, 연소실(4)은 흡기구(8) 및 흡기매니폴드(10)를 통해 서지탱크(surge tank; 12)로 연결되어 있다. 각각의 흡기구(8)는 흡기밸브(6)에 의해 개폐된다. 상기 서지탱크(12)는 배기터보차저(exhaust turbocharger; 16)와 같은 수퍼차저 및 인터쿨러(14)에 연결되어 있다. 에어클리너(18)를 통해 공급되는 신선한 공기는 상기 배기터보차저(16)의 콤프레서(16a)에 의해 압축된다. 상기 서지탱크(12)는 배기순환(EGR)통로(20)의 EGR가스공급구(20a)를 구비한다. 스로틀밸브(22)는 서지탱크(12)와 인터쿨러(14) 사이의 흡기통로(13)에 배치되어 있다. 흡기량센서(24) 및 흡기온도센서(26)는 콤프레서(16a)와 에어클리너(18) 사이에 배치되어 있다.
각각의 실린더(#1 내지 #4)에 있어서, 상기 연소실(4)은 배기구(30) 및 배기매니폴드(32)에 연결되어 있다. 각각의 배기구(30)는 배기밸브(28)에 의해 개폐된 다. 배기터보차저(16)의 배기터빈(16b)은 배기매니폴드(32)와 배기통로(34) 사이에 배치되어 있다. 배기는 제4실린더(#4)에 근접한 배기매니폴드(32) 내의 한 위치로부터 배기터빈(16b) 안으로 보내진다.
배기정화촉매를 각각 수용하고 있는 3개의 배기정화기구, 즉 촉매컨버터(36, 38, 40)들이 상기 배기통로(34)에 배치되어 있다. 가장 먼 상류에 위치한 제1촉매컨버터(36)(제1배기정화장치)는 NOx 저장환원촉매(36a)를 수용한다. 정상적으로 작동되고 있는 디젤엔진(2)의 배기가 산화 분위기(희박)에 있는 경우, NOx는 상기 NOx 저장환원촉매(36a)에 저장된다. 상기 배기가 환원 분위기에 있는 경우(화학양론 비(stoichiometric ration) 또는 공연비가 상기 화학양론적 조건보다 낮음), 상기 NOx 저장환원촉매(36a)에 저장된 NOx는 상기 NOx 저장환원촉매(36a)로부터 분리된 NO로 환원되고, HC 및 CO를 이용하여 추가로 환원된다. 이러한 방식으로 NOx가 제거된다.
제1촉매컨버터(36)로부터 하류에 배치되어 있는 제2촉매컨버터(38)(제2배기정화장치)는 모놀리스 구조(monolithic structure)를 갖는 필터(38a)를 수용한다. 상기 필터(38a)의 벽들은 배기를 통과시킬 수 있는 세공(pores)을 구비한다. 상기 필터(38a)의 세공벽면은 NOx 저장환원촉매의 층으로 코팅되어 있다. 상기 필터(38a)는 상기 NOx 저장환원촉매층을 위한 염기로서의 역할을 한다. 상기 NOx 저장환원촉매층은 상기 NOx 저장환원촉매(36a)와 동일한 방식으로 NOx를 제거한다. 배기 내에 함유된 입자상물질(PM)은 상기 필터(38a)의 벽에 축적된다. 상기 PM은 먼저 NOx가 상대적으로 높은 온도 하에 산화 분위기에 노출될 때에 해제(release)되 는 활성산소(active oxygen)에 의해 산화된다. 그 후, 상기 PM은 둘러싸고 있는 과잉 산소에 의해 전체가 산화된다. 이러한 방식으로, 필터(38a)로부터 NOx 뿐만 아니라 PM 까지도 제거된다. 상기 제1촉매컨버터(36)는 상기 제2촉매컨버터(38)와 일체형으로 형성되어 있다.
가장 먼 하류에 위치한 제3촉매컨버터(40)는 산화를 통해 HC 및 CO를 제거하기 위한 산화촉매(40a)를 수용한다. 제1배기온도센서(44)는 NOx 저장환원촉매(36a)와 필터(38a) 사이에 배치되어 있다. 상기 필터(38a)와 산화촉매(40a) 사이에는, 제2배기온도센서(46)가 필터(38a) 부근에 배치되고, 공연비센서(48)가 산화촉매(40a) 부근에 배치된다.
상기 공연비센서(48)는, 예컨대 고체전해질을 이용하는 센서이다. 상기 공연비센서(48)는 배기성분들을 토대로 상기 배기의 공연비를 검출하고, 상기 공연비에 선형으로 비례하는 전압신호를 생성한다. 상기 제1배기온도센서(44) 및 제2배기온도센서(46)는 각각 그들 각각의 장소에서 배기온도 thci 및 thco를 검출한다.
압력차센서(50)는 필터(38a)의 상류측과 하류측을 연결하는 관에 연결되어 있다. 상기 압력차센서(50)는 필터(38a)의 상류측과 하류측간의 압력차(△P)를 검출하여, 상기 필터(38a)의 막힘 정도(clogging degree), 즉 상기 필터(38a)에서의 PM의 축적 정도를 검출하게 된다.
상기 배기매니폴드(32)는, 배기를 배기터빈(16b) 안으로 보내는 제4실린더(#4)로부터 이격되어 있거나 상기 제1실린더(#1) 부근에 위치한 EGR 통로(20)용 EGR 가스유입구(20b)를 구비한다.
상기 EGR 가스를 개선(reform)하기 위한 강철EGR촉매(52), 상기 EGR 가스를 냉각시키기 위한 냉각장치(54), 및 EGR 밸브(56)는 상기 EGR 가스유입구(20b)로부터 상기 순서로 상기 EGR 통로(20) 내에 배치되어 있다. 상기 EGR 촉매(52)는 또한 냉각장치(54)의 막힘을 방지하는 기능도 한다. EGR 가스공급구(20a)를 통해 흡기시스템으로 다시 공급될 EGR 가스량은 상기 EGR 밸브(56)의 개방정도에 따라 조정된다.
연료분사밸브(58)는 상기 각각의 실린더(#1 내지 #4)에 배치되어, 연료를 상응하는 연소실(4) 안으로 직접 분사한다. 각각의 연료분사밸브(58)는 연료공급관(58a)을 통해 커먼 레일(60)에 연결되어 있다. 전기적으로 제어되는 가변배출량연료펌프(62)는 고압의 연료를 상기 커먼 레일(60) 안으로 공급한다. 상기 커먼 레일(60) 내의 고압의 연료는 각각의 연료공급관(58a)을 통해 상응하는 연료분사밸브(58)로 분배된다. 연료압력센서(64)는 상기 공통 레일(60) 내의 연료의 압력을 검출한다.
상기 연료펌프(62)는 저압의 연료를 연료공급관(66)을 통해 연료부가밸브(68)로 공급한다. 상기 연료부가밸브(68)는 상기 제4실린더(#4)의 배기구(30) 내에 배치되어, 연료를 배기터빈(16b)을 향해 분사하게 된다. 상기 연료부가밸브(68)는 촉매제어모드에서 연료를 배기에 부가한다.
전자제어유닛(ECU)(70)은 CPU, ROM, RAM 및 구동회로를 포함하는 디지털컴퓨터시스템을 포함한다. 상기 구동회로는 각종 유닛들을 구동시킨다. 상기 ECU(70)에는 흡기량센서(24), 흡기온도센서(26), 제1배기온도센서(44), 제2배기온도센서 (46), 공연비센서(48), 압력차센서(50), EGR 밸브(56) 내에 포함된 EGR 개방정도센서, 연료압력센서(64), 스로틀개방정도센서(22a), 액셀러레이터개방정도센서(74), 냉각제온도센서(76), 엔진속도센서(80), 및 실린더식별센서(82)로부터의 검출신호들이 제공된다. 상기 액셀러레이터개방정도센서(74)는 엑셀러레이터 페달(72)의 감압량(액셀러레이터 개방정도 ACCP)을 검출한다. 상기 냉각제온도센서(76)는 디젤엔진(2)의 냉각제 온도(THW)를 검출한다. 상기 엔진속도센서(80)는 엔진속도(NE), 또는 크랭크축(78)의 회전속도를 검출한다. 상기 실린더식별센서(82)는 크랭크축(78)의 회전 위상 또는 흡기캠의 회전 위상을 검출하여 실린더를 식별하게 된다.
상기 ECU(70)는 엔진의 구동상태에 따라 연료분사밸브(58)의 연료 분사(양 및 타이밍)를 제어하도록 3가지 검출신호들로부터 엔진의 구동상태를 판정한다. 상기 ECU(70)는 EGR 밸브(56)의 개방정도를 조정하고, 스로틀개방정도를 모터(22b)로 조정하며, 연료펌프(62)의 배출량을 조정하기 위한 제어를 실행한다. 또한, 상기 ECU(70)는 재생모드, 황성분분해-해제모드(이하, 황제거모드라 함), NOx 환원모드, 및 정상제어모드를 포함하는 촉매 제어를 실행한다. 상기 촉매 제어는 후술하기로 한다.
상기 ECU(70)는 엔진의 구동상태에 따라 2가지 연소모드, 즉 정상연소모드 및 저온연소모드로부터 선택된 연소모드를 실행한다. 저온연소모드에서, ECU(70)는 저온연소모드용 EGR 밸브의 개방정도맵을 토대로 순환량이 많은 배기를 이용하여 연소 온도의 증가를 천천히 함으로써 NOx 및 연기를 동시에 감소시킨다. 상기 저온연소모드는, 엔진이 엔진부하가 낮고 엔진속도가 낮거나 중간인 범위에 있는 경우 에 실행된다. 상기 저온연소모드에 있어서, 상기 ECU(70)는 공연비센서(48)에 의해 검출되는 공연비(AF)를 토대로 스로틀개방정도(TA)의 조정을 포함하는 공연비 피드백 제어를 실행한다. 저온연소모드 이외의 연소모드는 정상연소모드이다. 상기 정상연소모드에서는, 상기 ECU(70)가 정상연소모드용 EGR 밸브의 개방정도맵을 토대로 (배기의 순환을 수반하지 않는 제어를 포함하는) 정상적인 EGR 제어를 실행한다.
이하, 촉매 제어를 설명하기로 한다.
재생모드에 있어서, 상기 ECU(70)는 특히 배기정화촉매의 PM의 추정된 축적량이 재생기준값에 도달할 때 상기 제2촉매컨버터(38)의 필터(38a) 내에 축적된 PM을 가열한다. 상기 PM은 산화 및 분해되도록 가열되어 CO2 및 H2O를 생성하게 되고, CO2 및 H2O로서 해제된다(PM 해제 가열). 재생모드에 있어서, 상기 ECU(70)는 연료부가밸브(68)를 이용하여 연료를 반복해서 부가하여, 화학양론적 공연비보다 높은 공연비로 촉매층(catalyst bed)을 가열하게 된다(예컨대, 600 내지 700℃). 상기 ECU(70)는 파워 행정(power stroke) 또는 배기 행정 동안에 상응하는 연료분사밸브(58)를 이용하여 각각의 연소실(4)에서의 연료 분사(후분사(after injection))를 추가로 수행할 수도 있다. 상기 ECU(70)는 또한 간헐적인 연료부가공정을 실행함으로써 연소 가열(burn-up heating)을 실행한다. 간헐적인 연료부가공정에 있어서, 상기 ECU(70)는 연료가 부가되지 않는 주기들 사이에서 공연비저감공정을 실행한다. 상기 공연비저감공정은, 연료부가밸브(68)로부터 연료를 간헐적으로 부가하여, 공연비를 화학양론적 공연비와 같거나 약간 낮게 저감시킨다(농축시킨다). 상기 실시예에 있어서, 상기 공연비저감공정은 공연비가 화학양론적 공연비보다 약간 낮도록 한다. 소정의 경우에, 연료분사밸브(58)에 의한 후분사 및 간헐적인 연료부가공정이 결합하여 수행될 수도 있다. 상기 재생모드는 온도를 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 과열되지 않는 레벨까지 증가시킨다. 또한, 재생모드는 활성산소를 생성한다. 이는 PM을 연소시키는 효과를 만들어낸다. 따라서, NOx 저장환원촉매(36a)의 앞면에 막혀 있는 PM이 제거되고, 상기 필터(38a) 내에 축적된 PM이 연소된다.
상기 황제거모드는, NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 황 성분에 의해 오염(poison)되고 NOx 저장 능력과 같은 그들의 배기정화능력이 저감될 때 실행된다. 상기 황제거모드는 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)로부터 황 성분들을 분해 및 해제시켜, 상기 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)에서 황 성분들을 제거하여 황 오염으로부터 복원되도록 한다. 상기 황제거모드에서, 상기 ECU(70)는 연료부가밸브(68)로부터 연료를 반복적으로 부가하여 촉매층을 가열시킨다(예컨대, 650℃까지). 상기 ECU(70)는 또한 연료부가밸브(68)로부터 연료를 간헐적으로 부가하여, 공연비를 화학양론적 공연비와 같거나 약간 낮게 저감시키는 공연비저감공정을 추가로 실행한다. 상기 제1실시예에 있어서, 상기 공연비저감공정은 공연비가 화학양론적 공연비보다 약간 낮도록 농축(enrich)시킨다. 상기 황제거모드에서는, 연료분사밸브(58)를 이용한 후분사가 실행될 수도 있다. 이러한 공정은 재생모드에서 실행된 간헐적인 연료부가공정과 유사하고, 또한 PM을 연소시키는 효과도 가진 다. 이에 따라, 상기 ECU(70)는 상기 황제거모드가 실행되고 있거나 또는 황제거모드의 실행에 대한 요청이 있는 경우에 연소 가열을 중단시킬 수도 있다.
상기 NOx 환원모드에 있어서, 상기 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)에 폐색된 NOx는 N2, CO2 및 H2O로 환원되어, N2, CO2 및 H2O로서 해제된다. 상기 NOx 환원모드에 있어서, 상기 ECU(70)는 상대적으로 긴 시간 간격으로 연료부가밸브(68)로부터 연료를 간헐적으로 부가하여, 촉매층의 온도가 상대적으로 낮게 설정되도록 한다(예컨대, 250 내지 500℃). 이러한 상대적으로 낮은 촉매층 온도에서, 공연비는 화학양론적 공연비와 같거나 약간 낮게 저감된다.
상술된 3가지 촉매제어모드를 배제한 촉매 제어는 정상제어모드이다. 정상제어모드에서, 상기 ECU(70)는 연료부가밸브(68)를 이용한 연료부가공정 및 상기 연료분사밸브(58)를 이용한 후분사를 수행하지 않는다.
이하, 재생모드에서 ECU(70)에 의해 실행되는 처리를 설명한다. 재생모드실행결정을 도시한 도 2의 흐름도, 재생제어를 도시한 도 3의 흐름도, 및 연료부가공정을 도시한 도 4의 흐름도는 각각 소정의 시간 사이클에서의 인터럽트들로서 실행된다. 도 2의 재생모드실행결정의 결과는 도 3의 재생제어 및 도 4의 연료부가공정을 개시할 지의 여부를 결정한다.
우선, 재생모드실행결정(도 2)을 설명한다. 단계 S102에서, ECU(70)는 도 2의 한 제어 사이클 동안 디젤엔진(2)의 각각의 연소실(4)로부터 방출된 PM의 전체량인 입자상물질방출량(PMe)을 계산한다. 상기 실시예에서, 상기 ECU(70)는 사전에 미리 실험들을 통해 생성되는 맵을 참조하여 입자상물질방출량(PMe)을 계산한다. 상기 맵은 상기 방출량을 예컨대 엔진속도(NE)와 연관시키고, 엔진부하(예컨대, 연료분사밸브(58)의 연료분사량)와 연관시킨다. 상기 ECU(70)는 엔진속도(NE) 및 엔진부하로부터 입자상물질방출량(PMe)을 계산한다.
단계 S104에서, 상기 ECU(70)는 필터(38a)에 축적되거나 포획(trap)되는 PM의 산화량(PMc)을 계산한다. 상기 산화량(PMc)은 상기 공정의 한 제어 사이클 동안에 산화를 통해 제거되는 포획된 PM의 양이다. 상기 실시예에서, 상기 ECU(70)는 사전에 미리 실험들을 통해 생성되는 맵을 참조하여 산화량(PMc)을 계산한다. 상기 맵은 상기 산화량을 필터(38a)의 촉매층 온도(예컨대, 제2배기온도센서(46)에 의해 검출된 배기 온도 thco)와 연관시키고, 흡기량(GA)과 연관시킨다. 상기 ECU(70)는 상기 배기온도(thco) 및 흡기량(GA)으로부터 산화량(PMc)을 계산한다.
단계 S106에서, 상기 ECU(170)는 수학식 1을 이용하여 추정된 PM 축적량(PMsm)을 계산한다.
PMsm ← Max[PMsm + PMe - PMc, 0]
수학식 1에서, 우변의 추정된 축적량(PMsm)은 상기 공정의 앞선 사이클에서 계산된 값이다. Max는 괄호 안의 값들 중 최대값을 추출하기 위한 연산자를 나타낸다. 예를 들어, PMsm + PMe - PMc가 양의 값이면, PMsm + PMe - PMc의 결과값이 수학식의 좌변의 추정된 축적량(PMsm)으로 설정된다. PMsm + PMe - PMc가 음의 값이면, 수학식의 좌변의 추정된 축적량(PMsm)으로 0(grams)이 설정된다.
단계 S108에서, 상기 ECU(70)는 상기 추정된 축적량(PMsm)이 재생 기준값(PMstart)(기준 축적량)보다 크거나 같은 지의 여부를 점검하여, 상기 재생모드를 개시할 지의 여부를 결정한다. PMsm이 PMstart보다 작은 경우(단계 S108에서 NO이면), 상기 ECU(70)는 상기 공정을 임시로 종료한다. PMsm이 PMstart보다 작은 상태는 도 4의 타이밍차트에 도시된 타이밍 t0 이전의 상태에 해당한다.
PMe가 PMc보다 큰 상태가 디젤엔진(2)의 구동상태로 인해 계속되는 경우에는, 단계 S102, S104, 및 S106이 반복된다. 이것은 점진적으로 추정된 축적량(PMsm)을 증가시킨다. 하지만, PMsm이 PMstart 보다 작은 한(단계 S108에서 NO이면), 상기 ECU(70)는 상기 공정을 임시로 종료한다.
상기 추정된 축적량(PMsm)이 증가하여 PMsm ≥ PMstart 를 만족하는 경우(단계 S108에서 YES), 단계 S110에서는, ECU(70)가 재생제어를 개시한다(도 5에서 t0). 이 경우, 도 3의 재생제어는 주기적으로 수행된다. 단계 S110에서, ECU(70)는 플래그 FN, FS, 및 F0를 OFF로 설정한 후에 재생제어를 개시한다.
도 3의 재생제어를 후술한다. 상기 ECU(70)는 도 2의 재생모드실행결정에 이어 재생제어를 실행한다. 이에 따라, 재생제어는 상기 재생모드실행결정과 동일한 사이클로 실행된다.
단계 S122에서, 상기 ECU(70)는 추정된 축적량(PMsm)이 종료결정값(PMend)(예컨대, 0 g)보다 큰 지의 여부를 판정한다. 재생제어의 초기 단계에서(도 3), 상기 추정된 축적량(PMsm)은 상기 종료결정값(PMend)보다 크다(S122: YES). 그 후, 단계 S124에서, 상기 ECU(70)는 상기 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값 (SBUpm)보다 작은 지의 여부를 판정한다. 상기 특별연소개시결정값(SBUpm)은 상기 종료결정값(PMend)보다 약간 크다.
재생제어의 초기 상태에서(도 3), 상기 추정된 축적량(PMsm)은 특별연소개시결정값(SBUpm)보다 크다(S124: NO). 이에 따라, ECU(70)는 상기 공정을 임시로 종료한다. 그 결과, 상기 ECU(70)는 후술하는 연료부가공정(도 4) 동안 정상 가열(normal heating)을 실행한다. 정상 가열에 있어서, 상기 ECU(70)는 부가밸브(68)로부터의 연료를 배기로 계속해서 부가하고, 화학양론적 공연비보다 약간 높은 배기 공연비로 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)를 가열시킨다(예컨대, 배기 온도 thci=600 내지 700℃). 결과적으로, 상기 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)에 축적되는 입자상물질이 상대적으로 느리게 연소되어 제거된다. 그런 다음, 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm)보다 큰 경우(S124: NO), ECU(70)는 정상 가열을 계속한다.
정상 가열은 입자상물질방출량(PMe)을 산화량(PMc)보다 적도록 감소시키기 때문에, 상기 추정된 축적량(PMsm)이 점진적으로 감소한다(수학식 1 참조). 이에 따라, 시간 t0 이후, 상기 추정된 축적량(PMsm)은 도 5에 도시된 바와 같이 계속해서 감소한다.
그 후, 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm)보다 적거나 같게 되면(S124: YES), 상기 ECU(70)는 단계 S126에서 비율 △P/GA가 모드변경기준값(Dp)보다 작은 지의 여부를 판정한다. 상기 비율 △P/GA(이는 배기압력차와 등가임)는, 압력차센서(50)에 의해 검출되는 필터(38a)의 상류측과 하류측간의 압력차( △P)와, 흡기량센서(24)에 의해 검출되는 흡기량(GA)의 비율이다. 상기 비율 △P/GA는 배기량에 관계없이 유동저항레벨(flow resistance level)로서 상기 필터(38a) 내에서의 PM 축적 정도를 결정하기 위한 값이다. △P/GA 대신에 △P/배기량을 사용하는 것이 논리적이다. 하지만, 흡기량(GA)은 배기량과 정비례 관계에 있기 때문에, △P/GA가 사용되는 경우에도 제어 정확성에는 아무 문제가 없다.
모드변경기준값(Dp)은 PMsm ≤ SBUpm 의 조건 하에 추정된 비율 △P/GA을 나타낸다. 즉, 상기 모드변경기준값(Dp)은, PM이 실제로 상기 추정된 축적량(PMsm)보다 축적 필터(38a) 상에 많이 축적되었는 지의 여부를 판정하기 위해 사용된다.
조건 △P/GA < Dp 가 충족되면(S126: YES), 단계 S128에서, 상기 ECU(70)는 특별연소실행플래그(FS)가 OFF로 설정되어 있는 지의 여부를 판정한다. 상기 플래그(FS)가 OFF이면(S128: YES), 상기 ECU(70)는 단계 S130에서, 상기 추정된 축적량(PMsm)이 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 적거나 같은 지의 여부를 판정한다. 정상연소개시결정값(NBUpm)은 종료결정값(PMend)보다 약간 크고, NBUpm < SBUpm의 관계에 부합한다.
PMsm > NBUpm의 관계가 충족되면(S130: NO), 상기 ECU(70)는 연료부가공정(도 4)에서 정상 가열을 위해 연료를 부가한다. 정상 가열을 위한 연료 부가는 PM을 천천히 연소함으로써 추정된 축적량(PMsm)을 감소시킨다.
상기 추정된 축적량(PMsm)이 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 적거나 같은 경우(S130: YES; 도 5에서 시간 t1), 상기 ECU(70)는 단계 S132에서 간헐적인 부가가 N회(제1실시예에서는 3회) 수행되었는 지의 여부를 판정한다. 이 때, 상기 ECU(70) 는 여전히 배기에 대한 간헐적인 부가를 수행하지 않고 있다(S132: YES). 이에 따라, 상기 ECU(70)는 정상연소실행플래그(FN)를 단계 S134에서 ON으로 설정한다. 상기 정상연소실행플래그(FN)는 ON으로 설정되기 때문에, 상기 ECU(70)는, 후술하는 연료부가공정(도 4) 동안, 부가밸브(68)로부터 배기로의 간헐적인 연료 부가를 위해 정상 연소를 개시한다.
그런 다음, 상기 플래그(FN)는, 간헐적인 부가가 정상 연소에서 N회 완료될 때까지, 단계 S122, S124, S126, S128, S130, 및 S132가 YES를 나타낼 때 ON으로 설정된다(S134).
간헐적인 부가가 정상 연소 동안 N회 수행된 경우(S132: NO; 도 5에서 시간 t2), 단계 S136에서는, ECU(70)가 정상연소실행플래그(FN)를 OFF로 설정한다. 그 결과, 상기 ECU(70)는 연료부가공정(도 4)에서 간헐적인 부가로부터 정상 가열 연료 부가로 전환시킨다.
후속해서, PMsm ≤ PMend 가 충족되면(S122: NO; 도 5에서 시간 t3), 상기 ECU(70)는 단계 S140에서 간헐적인 부가가 정상 연소에서 N회 완료되었는 지의 여부를 판정한다. 이 때, 간헐적인 부가는 이미 N회 완료되었다(S140: YES). 이에 따라, 상기 ECU(70)는 정상연소실행플래그(FN)를 단계 S142에서 OFF로 설정한다. 단계 S140의 공정 수행되는데, 그 이유는 간헐적인 부가가 PMsm ≤ PMend 가 충족되더라도 N회 완료되지 않았기 때문이다.
그 후, 상기 ECU(70)는 특별연소실행플래그(FS)를 단계 S144에서 OFF로 설정하고(이 때, 플래그(FS)는 이미 시작 이후 OFF로 설정되어 있음), 재생제어종료플 래그(F0)는 단계 S146에서 ON으로 설정된다. 그 결과, 상기 ECU(70)는 연료부가공정(도 4)에서 재생제어를 종료한다. 이에 따라, 추정된 축적량(PMsm)은 도 5에 도시된 바와 같이 시간 t3 이후에 계속해서 증가한다.
N회의 간헐적인 부가가 정상 연소에서 완료되기 전, 연소가능조건들이 충족되지 않을 수도 있다(도 4에서 S162: NO). 이러한 상태에서는, 정상 연소가 완료될 수 없다. 이러한 상태는 보류(suspension) 상태로 불리운다. 보류 상태 동안, 정상 가열(S182)은 추정된 축적량의 조건 PMsm ≤ PMend 을 만족시킬 수도 있다(S122: NO). 이 경우, 상기 ECU(70)는 또한 재생제어종료플래그(F0)를 ON으로 설정한다(단계 S146). 이 경우, 시간 조건으로 인해 간헐적인 부가가 정상 연소를 위해 계속된다(도 4에서 S170).
△P/GA ≥ Dp 가 단계 S126에서 충족되는 경우를 후술한다. 상세한 설명은 도 6에 도시된 타이밍차트를 참조한다.
이 경우, 단계 S138에서, ECU(70)는 특별연소실행플래그(FS)를 ON으로 설정한다. 그 결과, 상기 ECU(70)는 특별연소공정(도 6에서 시간 t11)에 의하여 연료부가공정(도 4)에서 간헐적인 부가를 개시한다. ECU(70)는 특별연소공정에서 추정된 축적량(PMsm)을 증가시키기 때문에, 상기 추정된 축적량(PMsm)은 특별연소결정값(SBUpm)보다 큰 상태로 복귀한다(S124: NO). 하지만, 플래그(FS)는 이미 ON으로 설정되어 있기 때문에, ECU(70)는 특별연소공정(도 6에서 시간 t11로부터)에 의하여 연료부가공정(도 4)에서 간헐적인 부가를 계속한다.
후속해서, 상기 ECU(70)는 단계 S122를 YES로, 단계 S124를 NO로 결정하는 것을 계속하고, 상기 추정된 축적량(PMsm)은 감소한다. 그러므로, 상기 추정된 축적량(PMsm)은 특별연소결정값(SBUpm)보다 적거나 같다(S124: YES)(도 6에서 시간 t12).
이 상태에서, △P/GA ≥ Dp 가 충족되면(S126: NO), 상기 ECU(70)는 다시 단계 S138에서 특별연소실행플래그(FS)를 ON으로 설정한다. 그 결과, 연료부가공정에서는, 상기 ECU(70)가 도 6에 점선으로 표시된 바와 같이 상기 추정된 축적량(PMsm)을 2회 증가시킨다. 이에 따라, 상기 추정된 축적량(PMsm)은 특별연소결정값(SBUpm)보다 크다(S124: NO). 연료부가공정(도 4)에서, 상기 ECU(70)는 상기 추정된 축적량(PMsm)을 3회 증가시키지 않는다.
나아가, 조건 PMsm ≤ SBUpm 이 2회 충족되고(S124: YES), △P/GA < Dp 가 충족되면(S126: YES), 상기 ECU(70)는 도 6에서 실선으로 표시된 바와 같이, 연료부가공정(도 4)에서 상기 추정된 축적량(PMsm)을 2회 증가시키지 않는다.
그런 다음, 특별연소공정에서 간헐적인 부가를 계속하여 PMsm ≤ PMend 가 충족되면(S122: NO), 상기 ECU(70)는 단계 S140을 NO로 결정하고, 단계 S144에서 특별연소실행플래그(FS)를 OFF로 설정하며, 단계 S146에서 재생제어종료플래그(F0)를 ON으로 설정한다. 이에 따라, 상기 추정된 축적량(PMsm)이 도 6에서 시간 t14 또는 시간 t15 이후에 증가하기 시작한다.
이하, 연료부가공정(도 4)을 설명한다. 상기 ECU(70)는 재생제어(도 3)에 이어 연료부가공정을 실행한다. 이에 따라, 상기 연료부가공정은 상기 재생제어와 동일한 사이클로 실행된다.
우선, 단계 S162에서, ECU(70)는 연소가능조건이 디젤엔진(2)의 작동 조건들을 토대로 충족되는 지의 여부를 판정한다. 구체적으로는, 배기통로(34)로 배출되는 배기의 온도가 적절한 상태로 디젤엔진(2)이 작동되고 있을 때(예컨대, 엔진속도가 중간 범위에 있고, 엔진부하가 중간 또는 높은 범위에 있을 때), 상기 연소가능조건이 충족된다. 이는 필터(38a) 및 NOx 저장환원촉매(36a)의 저감된 온도로 인해 부가된 연료가 벽면에 부착되고 촉매의 기능을 불활성화시키는 것을 방지하고, 상기 배기의 보다 높은 온도로 인한 과열을 방지할 것이다.
연소가능조건이 충족되면(S162: YES), 단계 S164에서, ECU(70)는 정상연소실행플래그(FN)가 ON인 지의 여부를 판정한다. FN = OFF 가 충족되면(S164: NO), 단계 S174에서, ECU(70)는 특별연소실행플래그(FS)가 ON인 지의 여부를 판정한다. FS = OFF 가 충족되면(S174: NO), 단계 S181에서, 상기 ECU(70)는 F0 = OFF 가 충족되는 지의 여부를 판정한다. F0 = OFF 가 충족되면(S181: YES), 단계 S182에서, ECU(70)는 연료를 부가밸브(68)로부터 배기로 계속해서 부가한다(정상가열연료부가).
재생제어(도 3)의 판정이 단계 S122 내지 단계 S132에서 YES이면, 상기 플래그(FN)는 ON으로 설정된다(S134, 도 3). 이 경우, 연료부가공정(도 4)에서, ECU(70)는 단계 S164를 YES로 판정한다. 단계 S166에서, ECU(70)는 간헐적인 부가가 N회(상기 실시예에서는 3회) 실행되었는 지의 여부를 판정한다. 간헐적인 부가가 N회 수행되지 않았다면(S166: NO), 상기 ECU(70)는 재생제어종료플래그(F0)가 단계 S168에서 ON인 지의 여부를 판정한다. 재생제어(도 3)의 단계 S146은 이 때에 실행되지 않기 때문에, F0 = OFF 가 충족되고(S168: NO), 상기 ECU(70)는 단계 S180에서 연료를 부가밸브(68)로부터 배기로 간헐적으로 부가한다(도 7에서 시간 t20으로부터; 도 5에서 시간 t1으로부터). 구체적으로는, 상기 ECU(70)가 부가밸브(68)로부터 반복해서 부가되는 연료량, 연료부가주기, 및 연료가 부가되지 않는 주기를 설정한다. 이러한 방식으로, 상기 ECU(70)는 활성화된 산소 상태 및 필터(38a)와 NOx 저장환원촉매(36a)에 축적된 PM을 연소할 수 있는 배기 온도(thci 및 thco)를 실현하기 위하여 상기 배기의 공연비를 제어한다.
후속 제어 사이클에서, 연료가 배기로 간헐적으로 부가되는 횟수가 N회보다 적고(S166: NO), F0 = OFF 이면(S168: NO), 상기 ECU(70)는 간헐적인 부가를 계속한다(S180). 그 후, 간헐적인 부가의 횟수는 N회에 도달한다. 그러면, 상기 ECU(70)는 재생제어(도 3)의 단계 S136에서 정상연소실행플래그(FN)를 OFF로 설정한다. 후속해서, 단계 S164는 NO로 판정되고, 단계 S174는 NO로 판정되며, 단계 S181은 YES로 판정된다. 이에 따라, 상기 ECU(70)는 정상가열연료부가로 되돌아간다(도 7에서 시간 t26으로부터; 도 5에서 시간 t2로부터).
간헐적인 부가의 횟수가 N회에 도달하기 전, 상기 추정된 축적량(PMsm)이 종료결정값(PMend)보다 적거나 같으면, 상기 ECU(70)는 재생제어에서 단계 S122를 NO로 판정하고, 단계 S140을 NO로 판정한다. 이 경우, F0 = ON 이 충족되는 동안 FN = ON 충족된다(도 3의 S146).
그 결과, 연료부가공정(도 4)의 단계 S168에서 YES가 판정된다. 단계 S170에서, ECU(70)는 F0 = ON 이 충족되었기 때문에 보류 시간(Tw)(기준 시간과 등가임) 이 경과되었는 지의 여부를 판정한다. 상기 보류 시간(Tw)은, 연료가 부가되지 않을 때 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)의 보다 낮은 온도로 인해 촉매기능의 불활성화가 발생하고, 부가된 연료가 벽면에 부착되어 PM 축적이 늘어날 때까지의 주기를 나타낸다. 예를 들면, 보류 시간(Tw)은 180초로 설정될 수도 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 추정된 축적량(PMsm)이 (시간 t32로부터의) 종료결정값(PMend)보다 적거나 같은 이후에 연소가능조건이 충족되면(S162: YES), FN = ON 이 충족되고(S164: YES), 상기 ECU(70)는 간헐적인 부가가 단계 S166에서 N회 수행되었는 지의 여부를 판정한다. 간헐적인 부가가 N회 수행되지 않으면(S166: NO), 단계 S168에서, ECU(70)는 F0 = ON 이 충족되는 지의 여부를 판정한다. F0 = ON 이 충족되므로(S168: YES), 단계 S170에서는, 상기 ECU(70)가 보류 시간(Tw)이 경과되었는 지의 여부를 판정한다. 상기 보류 시간(Tw)은 PMsm ≤ PMend 가 충족되었기 때문에 경과되지 않았다(S170: NO). 따라서, 상기 ECU(70)는 간헐적인 부가를 계속한다(S180).
그 후, N회의 간헐적인 부가가 완료된다(t33). 그러면, 재생제어(도 3)의 단계 S140에서 YES가 판정되고, 플래그(FN)는 단계 S142에서 OFF로 설정된다. 그 결과, 연료부가공정(도 4)의 단계 S164 및 S174에서 NO가 판정되고, 단계 S181이 NO로 판정된다. 단계 S184에서, ECU(70)는 FN = OFF 를 충족하는 지의 여부를 판정한다. FN = OFF 가 충족되므로(S184: YES), 재생제어가 종료된다(S186). 즉, 상기 ECU(70)는 재생제어(도 3) 및 연료부가공정(도 4)를 중단한다. 그러므로, 정상연소가열도 종료된다.
도 9의 예시에 있어서, 정상연소가열이 개시한 후(t41로부터), 그리고 N회의 간헐적인 부가가 종료되기 전에는, 연소가능조건이 충족되지 않는다(t42). 후속해서, PMsm ≤ PMend 가 충족된 후(t43) 그리고 보류 시간(Tw)이 경과하기 전(T < Tw)에는, 연소가능조건이 충족된다(t44).
이 경우, 재생제어(도 3)에서는, 단계 S122에서 NO가 판정되고(도 9에서 t43), 플래그(F0)가 ON으로 설정된다(S146).
그 후, 연료부가공정(도 4)에서, ECU(70)는 연소가능조건이 충족되지 않고(S162: NO), F0 = ON 이 충족되고(S181: NO), FN = ON 이 충족된다(S184: NO)고 판정한다. 따라서, 상기 ECU(70)는 가열을 계속해서 중단한다. 후속해서(t44), 연소가능조건이 충족되면(S162: YES), 상기 ECU(70)는 FN = ON 이 충족되고(S164: YES), 간헐적인 부가가 N회 완료되지 않았고(S166: NO), FN = ON 이 충족되고(S168: YES), T < Tw 가 충족된다(S170: NO)고 판정한다. 따라서, ECU(70)는 간헐적인 부가를 재시작한다(S180).
N회의 간헐적인 부가가 완료되면(도 3, S140: YES), 플래그(FN)가 OFF로 설정된다(도 3, S142). 연료부가공정(도 4)에서, ECU(70)는 단계 S164를 NO로, 단계 S174를 NO로, F0 = ON 이 충족되고(S181: NO), FN = OFF 가 충족된다(S184: YES)고 판정한다. 이는 재생제어를 완료한다(S186, 도 9에서 t45). 따라서, 정상연소가열이 종료된다.
도 10의 예시에 있어서, 정상연소가열이 시작한 후(t51로부터) 그리고 간헐적인 부가가 N회 완료되기 전에는, 연소가능조건이 충족되지 못한다(t52). 후속해 서, PMsm ≤ PMend 가 충족되고(t53), 보류 시간(Tw)이 경과된 후(T ≥ Tw)에는, 상기 연소가능조건이 충족된다(t54).
이 경우, 재생제어(도 3)에서는, 단계 S122가 NO로 판정되고(도 10에서 t53), F0 = ON 이 충족된다(S146).
그 후, 연료부가공정(도 4)에서, ECU(70)는 연소가능조건이 충족되지 않고(S162: NO), F0 = ON 이 충족되고(S181: NO), FN = ON 이 충족된다(S184: NO)고 판정한다. 따라서, 상기 ECU(70)는 가열을 계속해서 중단한다. 후속해서(t54), 연소가능조건이 충족되더라도(S162: YES), 상기 ECU(70)는 FN = ON 이 충족되고(S164: YES), 간헐적인 부가가 N회 완료되지 않았고(S166: NO), FN = ON 이 충족되고(S168: YES), 보류 시간(Tw)이 경과되었고(S170: YES), 간헐적인 부가가 수행된 실제 횟수에 관계없이, 간헐적인 부가가 N회 수행되었다고 판정한다(S172).
이에 따라, 다음 제어 사이클에서는, 상기 ECU(70)가 단계 S132를 NO로 판정하고, 플래그(FN)를 단계 S136에서 OFF로 설정한다. 그러므로, 연료부가공정(도 4)에서, 상기 ECU(70)는 단계 S164를 NO로, 단계 S174를 NO로, 후속해서 F0 = ON 이 충족되고(S181: NO), FN = OFF 가 충족된다(S184: YES)고 판정한다. 그 결과, 재생제어가 종료된다(S186, 도 10에서 t54). 상기 재생제어는 본질적으로 PMsm ≤ PMend 가 충족될 때, 즉 정상연소가열이 시간 t52에서 종료될 때 끝난다.
도 11은 플래그(FN)가 단계 S134에서 ON으로 설정되고, 연소가능조건이 충족되지 않은 일 례를 보여준다. PMsm ≤ PMend 가 충족되기 전(t61), 상기 ECU(70)는 정상연소가열을 위한 간헐적인 부가를 실행하지 않는다.
도 11에서, 상기 연소가능조건은 보류 시간(Tw)이 경과되기 전(t62)에 충족되는데, 그 이유는 PMsm ≤ PMend 이 충족되기 때문이다(t61). 이에 따라, 간헐적인 부가가 시간 t62로부터 3회 수행된 후(t63), 상기 ECU(70)는 정상연소가열을 종료한다.
PMsm ≤ PMend 이 충족되어(t61), 보류 시간(Tw)이 경과하면, 상기 ECU(70)는 단계 S172의 공정을 실행하고, 간헐적인 부가가 전혀 수행되지 않은 경우에도 재생제어를 종료한다. 이 경우, 정상연소가열이 실행되지 않는다.
재생제어(도 3)에서, ECU(70)가 단계 S122 및 단계 S124를 YES로, 단계 S126을 NO로 판정하고, 특별연소실행플래그(FS)를 ON으로 설정하는 경우(도 3에서 단계 S138)를 후술한다. 이 경우, 상기 ECU(70)는 연료부가공정(도 4)의 단계 S174에서 YES를 판정한다.
그러면, 단계 S176에서, 상기 ECU(70)는 추정된 축적량(PMsm)의 증가조건이 충족되는 지의 여부를 판정한다. 상기 추정된 축적량(PMsm)의 증가조건은, 플래그(FS)가 단계 S138에서 ON으로 설정된 직후에 충족되고, 상기 추정된 축적량(PMsm)이 단계 S176의 공정에 의하여 증가되는 횟수는 기준 횟수(이 경우, 2회) 내에 있다.
초기에, 상기 추정된 축적량(PMsm)의 증가조건이 충족된다(S176: YES). 이에 따라, 단계 S178에서는, 상기 ECU(70)가 상기 추정된 축적량(PMsm)을 증가시킨다. 예를 들어, 상기 추정된 축적량(PMsm)은 도 6에서 시간 t11 및 시간 t12에서 증가된다. 그 후, 단계 S180에서, 상기 ECU(70)는 간헐적인 부가를 실행한다. 다음 제 어 사이클에서, 플래그(FS)는 이미 ON으로 설정되어 있다. 이에 따라, 상기 ECU(70)는 단계 S176를 NO로 판정하고, 상기 추정된 축적량(PMsm)을 증가시키지 않는다.
그 후, PMsm > SBUpm 의 조건이 충족되는 동안 간헐적인 부가가 계속된다(도 3에서 S124: NO). 그 후, PMsm ≤ SBUpm 이 다시 충족된다(도 3에서 S124: YES). 이 상태에서, △P/GA ≥ Dp 가 충족되면(도 3에서 S126: NO), 상기 ECU(70)는 단계 S138의 공정을 다시 실행하고, 단계 S178에서 추정된 축적량(PMsm)을 증가시킨다(도 6에서 t12로부터의 파선). 후속해서, PMsm ≥ SBUpm 및 △P/GA ≥ Dp 이 충족되면, 상기 ECU(70)는 단계 S180으로 진행될 수도 있다. 이러한 상태에서는, 처리순서가 3회 동안 단계 S180로 진행되기 때문에, 상기 ECU(70)가 추정된 축적량(PMsm)을 증가시키지 않는다(도 6에서 시간 t13).
만일 △P/GA < Dp 가 시간 t12에서 충족된다면(도 3에서 S126: YES), 상기 ECU(70)는 단계 S128에서 FS = OFF 가 충족되는 지의 여부를 판정한다. FS = ON 이 충족되므로(도 3에서 S128: NO), 상기 ECU(70)는 단계 S138의 실행없이 재생제어(도 3)의 공정을 임시로 중단한다. 이에 따라, 연료부가공정(도 4)에서는, 상기 추정된 축적량(PMsm)의 증가조건이 충족되지 않고(S176: NO), 상기 ECU(70)가 상기 추정된 축적량(PMsm)을 증가시키지 않는다(도 6에서 시간 t12로부터의 실선).
그 후, 도 6에 도시된 파선 또는 실선의 경우에는, PMsm ≤ PMend 의 조건이 간헐적인 부가를 계속함으로써 충족된다(도 3에서 S122: NO; 시간 t14 또는 t15). 상기 ECU(70)는 단계 S140을 NO로 판정하고, 단계 S144에서 플래그(FS)를 OFF로 설 정하며, 단계 S146에서 F0를 ON으로 설정한다. 그 결과, ECU(70)는 단계 S174를 NO로 판정하고, F0 = ON 이 충족되고(S181: NO), FN = OFF 가 충족되므로(S184: YES), 연료부가공정(도 4)에서 재생제어가 종료된다(S186). 이러한 방식으로, 특별연소가열이 종료된다.
재생제어(도 3) 및 연료부가공정(도 4)은 입자상물질제거가열(PM제거가열) 및 모드변경부에 등가이다. 특별연소개시결정값(SBUpm) 아래의 추정된 축적량(PMsm)의 범위 및 정상연소개시결정값(NBUpm) 아래의 추정된 축적량(PMsm)의 범위는 각각 모드변경범위와 등가이다. 상기 특별연소개시결정값(SBUpm) 아래의 추정된 축적량(PMsm)의 범위는 제1모드변경범위와 등가이고, 상기 정상연소개시결정값(NBUpm) 아래의 추정된 축적량(PMsm)의 범위는 제2모드변경범위와 등가이다.
압력차센서(50) 및 흡기량센서(24)는 차이검출유닛과 등가이다. 재생제어(도 3)에서 △P/GA < Dp 의 상대적인 결정에 의해 특별연소실행플래그(FS)의 ON/OFF 설정을 판정하기 위한 공정은 연소가열모드를 판정하기 위한 공정과 등가이다. N회 수행된 간헐적인 부가 공정은 기준처리량과 등가이다.
이하, 제1실시예의 장점을 설명한다.
(1) ECU(70)는 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm) 아래에 있는 범위와 상기 추정된 축적량(PMsm)이 정상연소개시결정값(NBUpm) 아래에 있는 범위에서, NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)를 정화하기 위한 가열제어(PM제거가열제어)의 모드를 변경한다.
상기 PM제거가열제어는 이러한 방식으로 상기 추정된 축적량(PMsm)에 따라 수행된다. 이에 따라, 연료 효율성을 향상시키기 위하여 대량의 PM이 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)에 축적된 후에 PM제거가열이 개시되더라도, 과열이 발생하지 않는다. 다시 말해, 상기 제1실시예는 종래 기술에서와 같이 연속적인 PM제거가열제어의 단일 모드에 의해 야기될 수 있는 연료 효율성의 저감 및 과열을 방지한다.
구체적으로는, 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm) 또는 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 큰 경우, 상기 ECU(70)는 정상연소를 통하여 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)로부터 PM을 천천히 연소시켜 제거한다. 상기 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm)보다 적고, 비율 △P/GA와 관련된 조건이 충족되는 경우, 상기 ECU(70)는 연료를 배기에 간헐적으로 부가하고, 특별연소가열를 통하여 PM을 연소시킨다. 상기 ECU(70)는 이러한 공정을, 추정된 축적량(PMsm)이 종료결정값(PMend)보다 적거나 같게 될 때까지 실행한다.
나아가, 특별연소가열이 실행되지 않고, 추정된 축적량(PMsm)이 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 적게 될 때, 상기 ECU(70)는 N회 수행된 간헐적인 연료 부가에 의해 PM을 연소시킨다.
이러한 방식으로, 상기 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm) 또는 종료결정값(PMend)(예컨대, 0 grams) 근처인 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 큰 동안에는, ECU(70)가 느린 PM제거공정을 실행한다. 그러므로, PM제거가열이 대량의 PM이 축적된 후에 개시되더라도 대량의 PM이 급속하게 연소되지 않기 때문에, 과열이 방지된다. 부가적으로는, PM제거가열이 종종 수행되지 않기 때문에, 연료 효율성이 저하되는 것을 막을 수 있다.
상기 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm) 또는 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 크거나 같은 경우, 상기 ECU(70)는 간헐적인 부가에 의해 PM을 연소하기 위한 공정을 실행하므로, 상기 PM이 한 번에 모두 연소되게 된다. 이에 따라, NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)에 PM이 남게 되는 것이 방지된다. 이것은 추정된 축적량(PMsm)에 나타나지 않는 잔여 PM의 축적을 방지한다.
이러한 방식으로, 상기 ECU(70)는 PM제거공정이 수행되는 빈도를 늘리지 않고도 대량의 PM을 한 번에 모두 연소하는 것을 방지할 수 있는 PM제거공정을 실현한다.
(2) 특별연소가열은, 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm)보다 적거나 같은 경우에도 적어도 한 번 △P/GA ≥ Dp 의 조건이 충족되지 않으면 실행되지 않는다. 이 경우, PMsm ≤ NBUpm 이 충족되면, 상기 ECU(70)는 정상연소가열을 실행한다. 정상연소가열에서, 간헐적인 부가는 N회 안에 종료된다.
이러한 방식으로, 상기 ECU(70)는 연소가열의 정도를 미세하게 제어한다. 부언하면, ECU(70)는 단지 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 대량의 PM에 의해 막히지 않는 한 필요한 연소가열만을 실행한다. 이는 연료 효율성을 향상시킨다.
(3) 추정된 축적량(PMsm)이 특별연소개시결정값(SBUpm)보다 적을 때, 조건 △P/GA ≥ Dp 이 충족되면, 실제 PM 축적량이 상기 추정된 축적량(PMsm)보다 클 가능성이 높다. 이에 따라, 상기 ECU(70)는 단계 S178에서 상기 추정된 축적량(PMsm)을 증가시킨다.
즉, 특별연소가열 동안, 상기 ECU(70)는 PM을 적절하게 제거하기 위하여 상기 추정된 축적량(PMsm)과 실제 PM 축적량간의 편차를 보상한다.
그 결과, ECU(70)는 PM제거공정이 수행되는 빈도를 늘리지 않고도 대량의 PM을 한 번에 모두 연소시키는 것을 방지하기 위한 PM제거공정을 보다 적절하게 실현할 수 있다.
(4) △P/GA ≥ Dp 이 전혀 충족되지 않으면, ECU(70)는 정상연소가열을 실행한다. 이 경우, 장점 (3)에 설명된 바와 같이 상기 추정된 축적량(PMsm)과 실제 PM 축적량간의 편차를 보상할 필요는 없고, 연소가열의 실행이 제한되더라도 PM이 적절하게 제거된다. 이에 따라, 상기 ECU(70)는 기준처리량으로 제한되는 횟수 동안 연소가열을 실행한다. 구체적으로는, 간헐적인 부가가 3회로 제한된다. 이것은 연료 효율성을 향상시킨다.
(5) 상기 특별연소개시결정값(SBUpm)은 상기 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 크다.
추정된 축적량(PMsm)을 증가시키기 위한 공정(S178)의 실행을 결정하기 위하여 비율 △P/GA 에 대한 소정 레벨의 검출 정확성이 요구된다. 이에 따라, 상기 특별연소개시결정값(SBUpm)은 소정의 레벨을 요구한다. 하지만, 상기 추정된 축적량(PMsm)의 증가공정(S178)이 실행되지 않으면, 상기 비율 △P/GA 의 검출 정확성이 비교적 낮아질 수도 있다. 이 경우, 정상연소개시결정값(NBUpm)이 감소될 수 있다. 대량의 PM 모두가 한 번에 방지될 수도 있고, 상기 정상연소개시결정값(NBUpm) 아래의 범위를 좁게 함으로써 연료 효율성이 개선될 수도 있다.
(6) 상기 ECU(70)는 특별연소가열에서 추정된 축적량(PMsm)의 증가공정(S178)을 기준 횟수(본 발명의 경우에는 2회)로 제한한다.
그 결과, 재 등과 같은 불연성 물질들이 필터(38a) 상에 축적되고, 조건 △P/GA ≥ Dp 이 계속되더라도, 추정된 축적량(PMsm)의 증가공정(S178)의 제한되지 않은 반복이 방지된다. 이에 따라, 특별연소가열을 필요한 것보다 많이 늘리지 않고도 연료 효율성이 저하되는 것을 막을 수 있다.
(7) 도 10은 ECU(70)가 디젤엔진(2)의 작동 조건에 따라 정상연소가열을 일시적으로 방지(보류)하는 경우를 보여준다. 이러한 보류가 발생하면, NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a)가 낮은 온도를 가질 가능성이 있다. 그러므로, 이 경우에는, 정상연소가열을 수행함으로써 PM이 증가할 수도 있다는 것을 고려한다. 상기 ECU(70)는 정상연소가열을 보류하고, 보류 시간(Tw)(180초)이 상기 추정된 축적량(PMsm)이 0이 될 때로부터(즉, 플래그(F0)가 ON으로 설정될 때로부터) 경과하면, 상기 ECU(70)는 간헐적인 부가를 N회 수행한다(S172). 이는 NOx 저장환원촉매(36a) 및 필터(38a) 내에 PM 축적이 증가하는 것을 막는다.
이하, 본 발명의 제2실시예에 따른 내연기관의 배기정화장치용 재생제어장치를 설명한다.
제2실시예에 있어서, ECU(70)는 단계 S126에서 비율 △P/GA를 결정하는 대신에, 필터(38a)의 상류측과 하류측간의 배기온도차(thco-thci)가 모드변경기준값(Dth)보다 큰 지의 여부를 판정한다. (thco-thci) ≥ Dth 의 조건이 충족되면(S126: NO), 단계 S138에서, ECU(70)는 특별연소실행플래그(FS)를 ON으로 설정한 다. 이 점을 제외하고는, 제2실시예의 재생제어장치는 제1실시예와 동일한 구조를 가진다.
제1배기온도센서(44) 및 제2배기온도센서(46)는 차이결정유닛과 등가이다.
상기 제2실시예의 장점은 다음과 같다.
배기정화장치의 상류의 NOx 저장환원촉매(36a)에 PM 막힘이 발생하면, 배기는 상기 NOx 저장환원촉매(36a)를 통해 고르지 않게 유동한다. 즉, 상기 NOx 저장환원촉매(36a)의 일부를 통과한다. 이 경우, 상기 배기는 NOx 저장환원촉매(36a)를 고르게 통과하는 경우보다 적은 반응열을 상기 NOx 저장환원촉매(36a) 내에 발생시킨다. 그 결과, 필터(38a) 내에는 보다 많은 반응열이 있다.
제2실시예에 있어서, 배기온도차(thco-thci)가 모드변경기준값(Dth)보다 큰 경우, 상기 ECU(70)는 특별연소가열을 실행한다. 이는 제1실시예의 장점 (1) 내지 (7)을 획득한다.
이하, 본 발명의 제3실시예에 따른 내연기관의 배기정화장치용 재생제어장치를 설명한다.
제3실시예에 있어서는, 도 12에 도시된 배기정화장치가 도 1에 도시된 2개의 촉매컨버터, 즉 제1촉매컨버터 및 제2촉매컨버터 대신에 사용된다.
상기 배기정화장치는, 베이스 및 상기 베이스를 코팅하는 NOx 저장환원촉매층을 가지는 하나의 필터(138a)를 포함한다. 압력차센서(150)는 필터(138a)의 상류측과 하류측간의 압력차(△P)를 검출한다. 제1배기온도센서(144)는 상기 필터(138a) 내의 온도(배기온도 thci)를 검출한다. 제2배기온도센서(46), 공연비센서 (48), 제3촉매컨버터(40), 및 산화촉매(40a)는 동일한 도면 번호들로 나타낸 도 1의 상응하는 구성요소들과 동일하다.
흡기량센서 및 압력차센서(150)를 포함하는 차이검출유닛은 비율 △P/GA 를 검출한다. 제1배기온도센서(44) 및 제2배기온도센서(46)를 포함하는 또다른 차이검출유닛은 배기온도차(thco-thci)를 검출한다.
상기 ECU(70)는 제1실시예 또는 제2실시예의 재생모드실행결정(도 2), 재생제어(도 3), 및 연료부가공정(도 4)을 실행하고, 상기 제1실시예 또는 제2실시예와 동일한 방식으로 기능을 한다. 제3실시예에 있어서, 단계 S126에서는, ECU(70)가 상기 비율 △P/GA 및 배기온도차(thco-thci) 가운데 적어도 하나를 토대로 결정을 내린다.
이하, 제3실시예의 장점을 설명한다.
배기온도차(thco-thci)가 도 3의 단계 S126의 판정에 사용되는 경우, 제2실시예의 장점에 기술된 메커니즘은 단일 배기정화장치의 상류측과 하류측에 적용된다.
나아가, 상기 비율 △P/GA 이 도 3의 S126의 판정에 사용되는 경우에는, 하류측 뿐만 아니라, 상류측이 제3실시예에서의 차동압력 △P의 서브젝트에 포함된다. 하지만, 하류측의 실제 PM 막힘은 상기 비율 △P/GA 로 표현되기 때문에, 상기 제1실시예에 기술된 메커니즘이 적용가능하다.
이에 따라, 제3실시예는 제1실시예 또는 제2실시예의 장점들을 가진다.
당업계의 당업자에게는, 본 발명의 기술적 사상 또는 범위를 벗어나지 않으 면서 여타의 수많은 특정 형태로 본 발명이 구현될 수도 있다는 사실이 자명하다. 특히, 본 발명은 다음과 같은 형태들로 구현될 수도 있다는 것을 이해하여야만 한다.
상기 실시예들 각각에 있어서, ECU(70)는 재생제어에서 부가밸브(68)로부터 배기로 연료를 부가함으로써(연속적인 부가, 간헐적인 부가), 배기공연비를 조정한다. 대안적으로는, 상기 부가밸브(68)로부터의 연료 부가보다는, 또는 상기 부가밸브(68)로부터의 연료 부가 이외에, 상기 ECU(70)는 또한 연료분사밸브(58)로부터의 후분사(배기행정시, 연소실 안으로의 연료 분사)를 실행함으로써 공연비를 조정할 수도 있다.
상기 실시예들 각각에 있어서, ECU(70)는 흡기량센서(24)에 의하여 흡기량(GA)을 검출한다. 대안적으로는, 상기 ECU(70)는 또한 비율 △P/GA 의 계산 시에 흡기량(GA)보다는 오히려 계산된 배기유동량을 이용하기 위하여, 디젤엔진(2)의 작동 상태, 예컨대 엔진속도(NE) 및 연료분사량에 기초한 맵을 이용하여 배기유동량을 계산할 수도 있다.
상기 실시예들 각각에 있어서, 특별연소개시결정값(SBUpm)은 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 크다. 하지만, 상기 특별연소개시결정값(SBUpm)은 정상연소개시결정값(NBUpm)과 같을 수도 있고, 또는 특별연소개시결정값(SBUpm)이 정상연소개시결정값(NBUpm)보다 작을 수도 있다.
상기 실시예들 각각에 있어서, 상기 정상연소개시결정값(NBUpm) 및 특별연소개시결정값(SBUpm)은 종료결정값(PMend)보다 큰 값들이다. 대안적으로는, 상기 정 상연소개시결정값(NBUpm) 및 특별연소개시결정값(SBUpm) 가운데 어느 하나 또는 양자 모두가 상기 종료결정값(PMend)과 같은 값일 수도 있다.
상기 실시예들 각각의 연소가열에 있어서, ECU(70)는 반복되는 연료 부가에 의해 배기시스템에서의 공연비를 간헐적으로 감소시키고, 상기 배기시스템으로의 연료 부가를 중단시킨다. 대안적으로는, 연소가열시, 상기 ECU(70)는 또한 반복되는 고농도 연료 부가(또는 후분사) 및 저농도 연료 부가(또는 후분사)에 의하여 배기시스템의 공연비를 간헐적으로 줄일 수도 있다.
본 예시들과 실시예들은 제한적인 것이 아니라 예시적인 것이고, 본 발명은 본 명세서에 제공된 상세들로 국한되지 않으며, 첨부된 청구범위의 범위 및 균등론의 범위 안에서 수정될 수도 있음에 유의해야 한다.

Claims (12)

  1. 내연기관의 배기시스템에 배치되는 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질을 제거하기 위한 재생제어장치에 있어서,
    추정된 축적량이 기준 축적량보다 클 때, 상기 배기정화장치 내에 축적된 상기 입자상물질을 제거하도록 상기 배기정화장치를 가열하기 위한 가열부를 포함하되, 상기 가열부는 상기 추정된 축적량을 상기 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질의 양을 추정하여 획득하고; 및
    상기 추정된 축적량이 모드변경범위 이내에 있다면, 상기 정화장치를 가열할 때 배기정화장치가열모드들을 변경하기 위한 모드변경부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배기시스템은 공연비를 포함하고;
    상기 모드변경범위는 비교적 적은 추정된 축적량에 따라 설정되며; 및
    상기 모드변경부는, 상기 추정된 축적량이 상기 모드변경범위 이내에 있을 때 상기 가열모드를, 상기 배기시스템에서의 공연비를 연속적으로 낮춤으로써 상기 배기정화장치를 가열하기 위한 정상가열모드로부터, 상기 배기시스템에서의 공연비를 간헐적으로 낮춤으로써 상기 입자상물질을 연소하기 위한 연소가열모드로 변경하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 배기정화장치의 상류측과 하류측간의 배기압력차를 검출하기 위한 차이검출유닛을 더 포함하여 이루어지고,
    상기 모드변경부는 압력검출유닛에 의해 검출되는 상기 배기압력차를 토대로, 상기 가열모드를 상기 연소가열모드로 변경할 지의 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 배기정화장치의 상류측과 하류측간의 배기압력차 및 배기온도차 가운데 하나 이상을 검출하기 위한 차이검출유닛을 더 포함하여 이루어지되, 상기 배기정화장치는 상기 배기시스템에 배치된 2이상의 배기정화장치 중 하류측의 것이고;
    상기 모드변경부는 상기 압력검출유닛에 의해 검출되는 상기 배기압력차 및 상기 배기온도차 가운데 하나 이상을 토대로, 상기 가열모드를 상기 연소가열모드로 변경할 지의 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 배기정화장치는 하류부를 포함하고,
    상기 재생제어장치는,
    상기 배기정화장치의 하류부의 상류측과 하류측간의 배기온도차를 검출하기 위한 차이검출유닛을 더 포함하여 이루어지며,
    상기 모드변경부는 상기 압력검출유닛에 의해 검출되는 상기 배기온도차를 토대로, 상기 가열모드를 상기 연소가열모드로 변경할 지의 여부를 결정하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모드변경부는, 상기 차이검출유닛에 의해 검출되는 배기압력차 또는 배기온도차가 모드변경기준값보다 큰 경우, 상기 추정된 축적량을 증가시켜 상기 연소가열모드를 계속하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  7. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모드변경부는, 상기 차이검출유닛에 의해 검출되는 배기압력차 또는 배기온도차가 모드변경기준값보다 작은 경우, 상기 연소가열의 실행을 소정의 횟수로 제한하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  8. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 모드변경범위는 제1모드변경범위 및 상기 제1모드변경범위보다 좁은 제2모드변경범위를 포함하고,
    상기 모드변경부는,
    상기 추정된 축적량이 상기 제1모드변경범위 내에 있고, 상기 차이검출유닛 에 의해 검출되는 배기압력차 또는 배기온도차가 모드변경기준값보다 큰 경우, 상기 추정된 축적량을 증가시켜 상기 연소가열모드를 계속하고; 및
    상기 추정된 축적량이 상기 제2모드변경범위 내에 있고, 상기 차이검출유닛에 의해 검출되는 배기압력차 또는 배기온도차가 모드변경기준값보다 작은 경우, 상기 연소가열을 소정의 횟수로 제한하는 방식으로 실행하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  9. 제6항 또는 제8항에 있어서,
    상기 모드변경부는 상기 추정된 축적량을 증가시키기 위한 횟수를 기준 횟수 이하로 제한하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 모드변경부는,
    상기 연소가열을 소정의 횟수로 제한하는 방식으로 실행하는 경우, 상기 연소가열의 실행을 일시적으로 보류하고; 및
    상기 연소가열의 실행이 보류되어 상기 추정된 축적량이 0이 될 때로부터, 소정의 주기가 경과한 이후에 상기 연소가열이 수행된 실제 횟수에 관계없이, 상기 연소가열의 실행이 소정의 횟수로 실행되었다고 결정하는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 모드변경기준값은, 상기 추정된 축적량이 상기 제1모드변경범위 내에 있을 때 예측되는 배기압력차 또는 배기온도차를 나타내는 것을 특징으로 하는 재생제어장치.
  12. 내연기관의 배기시스템에 배치되는 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질을 제거하는 방법에 있어서,
    추정된 축적량을 획득하기 위해 상기 배기정화장치 내에 축적된 입자상물질의 양을 추정하는 단계;
    상기 추정된 축적량이 기준 축적량보다 큰 지의 여부를 판정하는 단계;
    상기 추정된 축적량이 상기 기준 축적량보다 클 때 연료를 배기에 부가하는 단계;
    상기 추정된 축적량이, 상기 기준 축적량보다 적은 결정값보다 작거나 같은 지의 여부를 판정하는 단계; 및
    상기 추정된 축적량이 상기 결정값보다 작거나 같을 때 연료를 상기 배기에 간헐적으로 부가하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
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