비－작업 부하를 이용한 ＤＰＦ 강제 재생 시스템 및 그 방법{Active regeneration DPF system using non-working load and method of the same}

본 발명은 엔진의 DPF 강제 재생 시스템에 관한 것이며, 더욱 구체적으로는 건설기계의 실질적인 작업이 정지된 상태에서도 엔진으로 임의로 비-작업 부하를 제공하여 신속하게 DPF 강제 재생을 수행함을 특징으로 하는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

건설기계에서 사용되는 엔진은 다양한 규제와 기준을 충족하도록 요구받고 있다. 그러한 기준 중 하나는 배기가스에 포함되는 질소 산화물(NOx) 및 입자상 물질(PM; Particulate Matter)과 같은 오염물을 감소시키는 것으로, 건설기계를 사용함에 있어 소음에 관한 규제와 더불어 주요한 환경 기준이 될 수 있다.

이러한 환경 기준에 부합하기 위해서, 통상적으로 배기가스 재순환 장치(EGR; Exhaust Gas Recirculation) 및 디젤미세먼지필터(DPF; Diesel Particulate Filter) 장치와 같은 다양한 수단을 적용한 엔진이 사용되고 있다.

여기서, 디젤미세먼지필터(DPF)는 엔진에서 나온 배기가스가 배출되는 경로상에, 예컨대 머플러 내에 매연을 포함하는 입자상 물질인 미세먼지(soot)를 포집하여 여과할 수 있는 필터를 지칭하는 것으로, 이러한 필터가 장착된 장치를 칭하기도 한다.

이러한 필터는 그 안에 포집된 미세먼지를 주기적으로 또는 포집된 양에 따라 임의로 제거하는 과정을 필요로 하며, 이를 통상 'DPF 재생(Regeneration)' 또는 '연소 제거'라 한다.

이러한 재생은 그 구현 방식에 따라 자연 재생(passive regeneration)과 강제 재생(active regeneration)으로 크게 구분될 수 있다.

예컨대, DPF 자연 재생이라 함은, 건설기계의 작업 중에 상승한 배기가스의 온도에 의해 필터 내에 포집되어 있는 미세먼지를 연소시키거나, 또는 건설기계의 운전 중 배기가스가 배출되는 경로 상에 소량의 연료를 투입함으로써 이 경로 상에 미리 배치된 디젤산화촉매장치(DOC; Diesel Oxidation Catalyst)와 투입된 연료가 발열반응을 일으켜 더 높은 열을 생성시키고, 이에 따라 포집되어 있는 미세먼지를 연소시키는 방식을 말한다.

다음으로, DPF 강제 재생이라 함은, 운전자가 실질적으로 작업을 실시하지 않으면서 강제로 건설기계의 엔진을 구동하여 배기가스를 배출하고, 이 배기가스의 온도에 기초하여 배기 경로 상에 투입된 소량의 연료가 역시 배기 경로 상에 미리 배치되어 있는 디젤산화촉매장치(DOC)와 발열반응을 일으켜 미세먼지의 연소(재생)에 필요한 온도로 배기가스의 온도를 더 높임으로써 필터 내에 포집되어 있는 미세먼지를 연소시키는 방식을 말한다.

도 1을 참조하여 통상의 DPF 강제 재생 시스템의 개략적인 구성을 살펴보면 다음과 같다. 도 1에 따르면, 통상의 DPF 강제 재생 시스템(100)은 터보 차저(12)가 형성된 엔진(10)과 그로부터 배기가스가 배출되는 배기 경로(20) 상에 형성된 DPF(디젤미세먼지필터)(30), 및 DPF 전단의 DOC(디젤산화촉매장치)(40)를 포함하고, 또한 배기 경로(20) 중 DOC의 전단으로 소량의 연료를 투입하는 연료 투입 수단(50) 및 엔진(10)에 의해 구동되는 펌프(60)를 포함한다. DPF 강제 재생의 경우, 실질적인 작업 부하가 생성되지 않으므로, 그에 관련된 상세는 도면에서 생략되어 있다.

이러한 구성의 시스템을 갖는 DPF 강제 재생의 경우에, 건설기계는 작업이 정지된 상태이기 때문에, 예를 들어, 붐, 버켓 등과 같은 프론트 작업 수단을 구동하거나 차량을 전후로 주행하는 등 건설기계의 실질적인 작업을 일으키지 않는 상태를 유지하게 되고, 엔진은 최소의 부하만을 받는 아이들 상태(즉, 낮은 rpm)로 구동되며, 이에 아이들 상태에서 배출되는 배기가스의 온도는 쉽게 높아지지 않는다. 즉, 아이들 상태로 구동되기 시작한 엔진으로부터 나온 배기가스는 작업시와 비교하여 상대적으로 낮은 온도를 갖는다.

한편, DPF 강제 재생 방식으로 디젤미세먼지필터(DPF) 내에 포집된 미세먼지를 연소(DPF 재생)시키기 위해서는, 배기 경로 상에 배치되어 있는 DOC와 DOC의 전단에서 배기 경로 상으로 투입되는 연료 사이에 발열반응이 일어나야 하고, 이 발열반응은 소정 온도(약 235℃) 이상에서 가능하기 때문에, 실질적인 작업 부하 없이 실시되는 DPF 강제 재생의 경우 배기가스가 이러한 소정 온도로 가열되기까지 상당한 시간을 필요로 한다.

통상 엔진은 아이들 구동 상태보다 부하를 받아 구동하는 경우에 더 높은 온도의 배기가스를 배출하게 된다. 그러나, 자연 재생의 경우와 달리 강제 재생의 경우는 건설기계가 정지된 상태에서 실질적인 무부하 상태(아이들 상태)로 엔진이 구동되기 때문에 배기가스의 온도가 DOC의 발열반응이 가능한 소정 온도까지 높아지기까지 상당한 시간이 요구되는 것이다. 예컨대, 건설기계의 DPF 강제 재생의 경우 대략 30분에서 1시간여 정도의 시간이 소요되는 것으로 알려져 있다.

건설기계의 구입비용이 크기 때문에, 대부분의 건설기계는 시간 또는 날짜 기준으로 대여되는 것이 일반적이며, 작업을 하면서 병행할 수 있는 DPF 자연 재생 과정과 달리, 작업을 실시하지 못하면서 시간을 보내야 하는 DPF 강제 재생 과정은 건설기계를 대여함에 있어 비용 부담을 가중시켜 왔다. 덧붙여, 건설기계를 대여한 경우가 아니더라도, DPF 강제 재생으로 인해 상당한 시간 동안 작업이 일시 중단되어야 하는 점은 건설기계 작업 공정의 전반적인 효율을 떨어뜨리는 결과를 가져오곤 하였다. 또한 오랜 시간동안 지속되는 DPF 강제 재생 과정동안 계속하여 엔진이 구동되어야 하기 때문에 DPF 강제 재생이 수행되는 지속 시간에 따라 연료 소모량이 비례하여 증가하는 어려움이 있었다.

본 발명의 목적은 엔진으로 임의의 비-작업 부하를 부여하여 신속하게 배기가스의 온도를 높임으로써 효율적으로 수행될 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 신속한 DPF 강제 재생을 수행함으로써 강제 재생과 관련하여 소모되는 연료량을 최소화할 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공하기 위한 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시형태는 엔진과; 엔진에서 나온 배기가스가 외부로 배출되는 배기 경로 상에 배치되는 디젤미세먼지필터(DPF)와; 배기 경로 상에서 DPF의 전단에 배치되는 디젤산화촉매장치(DOC)와; 소정 온도에서 DOC와 발열반응을 일으키는 연료를 배기 경로 중 DOC의 전단으로 투입하는 연료 투입 수단; 및 엔진으로 비-작업 부하를 제공하는 강제부하 생성 수단;을 포함하고, 강제부하 생성 수단은 팬 펌프(160)에 의해 구성되며, DPF 강제 재생시, 팬 펌프가 건설기계의 실질적인 작업을 야기하지 않으면서 임의로 최대 유량의 작동유를 토출하도록 제어됨으로써 비-작업 부하를 생성하고, 이에 따라 엔진이 소정 온도 이상의 배기가스를 배출하는 것인, 비-작업 부하를 이용한 DPF 강제 재생 시스템을 제공한다.

이처럼, DPF 강제 재생의 경우에 엔진이 비-작업 부하를 받아 구동됨으로써 아이들 상태로 구동되는 경우와 비교하여 더 짧은 시간에 배기가스의 온도를 소정 온도 이상으로 높일 수 있으므로, DOC와 연료의 발열반응을 촉진하여 그로 인해 생성되는 고온에 의해 DPF 재생(연소 제거)을 효율적으로 실시할 수 있다.

또한 본 발명의 시스템은, 팬 펌프(160)로 가변 팬 펌프를 사용하며, DPF 강제 재생시, 가변 팬 펌프로 전달되는 비례전류신호를 임의로 최대로 조정함으로써 팬 펌프가 최대 유량의 작업유를 토출하도록 함을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 시스템은, 팬 펌프가 엔진과 직결로 연결되지 않는 적어도 하나의 별치 구동식 팬 모터와 연결되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은, 전술한 DPF 강제 재생 시스템에서 DPF를 강제 재생하는 방법으로서, (a) 엔진을 아이들 상태에서 구동하는 단계와; (b) 배기 경로 상의 배기가스의 온도를 측정하는 단계와; (c) 측정된 온도가 소정 온도 이하일 때, 강제부하 생성 수단을 구동하여 비-작업 부하를 엔진으로 부여하는 단계와; (d) 엔진이 비-작업 부하에 의해 더 높은 고온의 배기가스를 배출하는 단계와; (e) 측정된 온도가 소정 온도를 초과할 때, 강제 부하 생성수단이 구동 중이라면 강제 부하 생성수단의 구동을 멈추는 단계와; (f) DPF 강제 재생을 실시하는 단계; 및 (g) DPF의 재생 완료시까지 (b) 단계 내지 (f) 단계를 반복하는 단계;를 포함하고, 이때 고온의 배기가스로 인해 발열반응이 촉진됨으로써 DPF 강제 재생이 효율적으로 수행되는 것인, 비-작업 부하를 이용한 DPF 강제 재생 방법을 제공한다.

본 발명에 따르면, DPF 강제 재생시 엔진으로 건설기계의 실질적인 작업 부하가 아닌 임의의 비-작업 부하를 부여하여 신속하게 배기가스의 온도를 높임으로써 효율적으로 수행될 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 신속한 DPF 강제 재생을 수행함으로써 강제 재생과 관련하여 소모되는 연료량을 최소화할 수 있는 DPF 강제 재생 시스템 및 그 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 DPF 강제 재생 시스템의 일 예를 도시한 블록도이고;
도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 도시한 블록도이고;
도 3은 본 발명의 다른 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 도시한 블록도이며; 그리고
도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 방법을 도시한 순서도이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 시스템을 도시한 블록도이다. 구체적으로 살펴보면, 이 실시형태의 DPF 강제 재생 시스템(200)은 터보 차저(112)가 구비된 엔진(110)과 그로부터 배출되는 배기가스의 배기 경로(120) 상에 디젤산화촉매장치(DOC)(140) 및 디젤미세먼지필터(DPF)(130)가 차례로 배치되고 DOC(140)의 전단으로 배기 경로 상에 연료를 투입하는 연료 투입 수단(150)을 포함한다. 또한, 엔진(110)에는 건설기계의 각종 작업단(예컨대, 붐, 버켓, 선회모터 등)으로 작동유를 공급하는 메인펌프(도시되지 않음)와 함께 예컨대, 냉각팬(174)을 회전 구동시키는 팬 모터(172)로 작동유를 공급하는 팬 펌프(F/P; Fan Pump)(160)가 연결되어 있다. 이 팬 펌프(160)는 가변 팬 펌프일 수 있고, 비례제어밸브(162)와 같은 제어 수단을 통해 전달되는 비례제어신호(164)를 통해 제어될 수 있다.

이 실시형태에서 오일 쿨러(170)에 적용된 냉각팬(172)은 팬 펌프(160)로부터 작동유를 공급받아 구동되는 팬 모터(172)에 의해 회전할 수 있다. 또한, 라디에이터(180)에 적용된 냉각팬(184)은 별도의 팬 모터 등을 포함하지 않고 엔진(110)과 직결로 연결되어 회전할 수 있다. 이 실시형태에서, 오일 쿨러(170)는 팬 펌프(160)를 통해 그리고 라디에이터(180)는 엔진(110)과 직결로 연결된 상태로 표시되어 있지만, 이로 한정되는 것은 아니며, 이들 요소는 다양한 형태로 구성될 수 있음에 유의한다.

도면에서 메인펌프와 그를 통해 구동되는 각 작업단(붐, 버켓, 선회모터 등) 및 각 작업단에 대응하는 다수의 제어밸브 등을 포함하는 유압 구동 부분은 생략되어 있으며, DPF 강제 재생시 이들 작업단은 실질적으로 구동되지 않기 때문에 이하에서 그에 관한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

이와 같은 시스템(200)에 있어서, DPF 강제 재생을 실시하는 경우라면, 실질적인 작업 부하가 일어나지 않으므로 엔진(110)은 아이들 상태(즉, 낮은 rpm)에서 구동된다. 전술한 바와 같이, DPF 강제 재생을 보다 신속하게 수행하기 위해서는 엔진(110)으로부터 배출되는 배기가스의 온도를 DOC(140)와 연료간의 발열반응이 일어나기 위한 기준인 소정 온도(예컨대, 약 235℃) 이상으로 높이는 것이 요구되며, 이에 본 발명은 실질적인 작업이 아닌 비-작업 부하를 엔진(110)으로 제공함으로써 배기가스의 온도를 빠르게 높일 수 있다.

본 발명에서, 용어 '비-작업 부하'는 결국 건설기계의 각 작업단을 실제로 구동하지 않으면서 엔진(110)으로 제공되는 임의의 강제 부하를 의미한다. 즉, 이 실시형태에서 각 작업단과 연결되지 않는 팬 펌프(160)에서 최대 유량의 작동유를 토출하도록 제어할 수 있으며, 즉 팬 펌프(160)를 제어하는 비례제어밸브(162)로 제어 신호(S)를 제공하여 그로부터 전달되는 비례제어신호(164)를 임의로 최대로 제어할 수 있으며, 이에 팬 펌프는 실질적인 작업과 무관하게 지속적으로 최대 유량의 작동유를 토출하게 된다. 이처럼, 팬 펌프(160)가 최대 유량의 작동유를 토출하는 동안, 그에 따라 엔진(110)으로 임의의 강제 부하인 소위 '비-작업 부하'가 제공되며, 이를 통해 엔진(110)이 구동됨으로써 아이들 상태와 비교하여 더 빠르게 배기가스의 온도를 높일 수 있게 된다.

배기가스가 소정의 온도, 즉 약 235℃에 이르면, 이 배기가스의 온도에 의해 DOC(140)와 연료간의 발열반응이 촉진되고, 발열반응에 의해 나타나는 약 6-700℃의 고온으로 인해 DOC(140)의 후단에 배치되어 있는 DPF(130) 내에 포집되어 있던 미세먼지(soot)가 연소 제거될 수 있다. 즉, DPF 재생이 실시될 수 있다.

이처럼, 이 실시형태에서는 각 작업단(예컨대, 붐, 버켓, 및 선회모터 등)과 무관하게 별치 구동되는 다수의 냉각팬의 회전을 구동하는 팬 펌프에 대해 전달되는 비례제어신호를 임의로 최대로 제어함을 특징으로 하며, 이에 따라 팬 펌프(160)가 최대 유량의 작동유를 토출하도록 함으로써 '비-작업 부하'를 엔진(110)으로 제공하고, 이에 따라 엔진(110)이 부하를 통해 종래 아이들 상태로 구동되는 경우보다 더 신속하게 높은 온도, 바람직하게는 DOC(140)의 발열반응을 촉진하기 위한 소정의 온도의 배기가스를 배출함을 특징으로 한다.

다음으로, 도 3은 도 2와 유사한 실시형태를 도시한 것이며, 단지 오일쿨러(170)와 라디에이터(180) 모두 별치 구동되는 팬 모터(172 및 182)에 의해 회전하도록 배치된 것이 상이하다. 즉, 도 2의 시스템(200)에서는 라디에이터(180)가 엔진과 직결된 냉각팬을 적용하고 있는 반면, 도 3의 시스템(200')에서는 라디에이터(180)가 오일쿨러(170)와 마찬가지로 팬 펌프(160)에 의해 작동유를 공급받아 구동되는 별개의 팬 모터(182)를 사용하여 동작한다는 점이 상이하다.

즉, 도 3은 도면에 도시된 모든 냉각팬(174, 184)이 모두 팬 펌프(160)에 의해 구동되는 팬 모터(172, 182)에 의해 회전하도록 구성된 점을 제외하고는 도 2의 구성과 실질적으로 동일한 것으로, 도 2의 실시형태의 변형예로 이해될 수 있다. 또한, 이상의 실시형태에서 팬 펌프(160)에 의해 구동되는 팬 모터(172, 182)는 오일쿨러(170) 및 라디에이터(180) 개개에 대한 2개만이 예시되어 있지만, 이로 한정되지 않는다는 점은 자명하다. 또한 팬 펌프(160)는 예컨대, 조종석 내 조이스틱(도시되지 않음)을 작동할 때 요구되는 작동유를 공급하거나, 또는 건설기계의 조향 장치 및 제동 장치 등에 사용되는 작동유를 공급하도록 구성될 수도 있다.

단, DPF 강제 재생 과정에서 건설기계의 실질적인 작업이 발생하는 것은 요구되지 않으며, 따라서 실질적인 작업(붐, 버켓 등의 구동 또는 건설기계의 조향이나 제동 등)을 실시하지 않으면서 팬 펌프(160)가 최대 유량의 작동유를 토출하도록 할 수 있는 범위 내에서 본 발명이 적용될 수 있다. 예를 들면, DPF 강제 재생을 수행할 때 엔진룸에서 발생하는 열을 냉각하기 위해 별도의 냉각팬이 배치될 수 있고, 이러한 냉각팬 역시 본 발명의 팬 펌프(160)에서 연결된 팬 모터를 통해 구동될 수 있을 것이다.

다음으로, 도 4는 본 발명의 또 다른 실시형태에 따른 DPF 강제 재생 방법을 도시하는 순서도이다.

도 4에 따르면, 이 실시형태는 DPF 강제 재생을 실시하기 위해서 아이들 상태에서 엔진이 구동되면서 시작된다(S100). DPF 재생을 수행하기 위해서는 DPF 내에 포집되어 있는 미세먼지(매연 등을 포함하는 미세 입자)를 연소 제거(재생)할 수 있는 예컨대, 6-700℃의 높은 온도가 요구되며, 이는 DPF 강제 재생에서 DOC와 투입되는 연료간의 발열반응에 의해 달성될 수 있다. 따라서, DOC의 발열반응을 촉진할 수 있는 소정 온도인 약 235℃까지 배기가스의 온도가 도달하여야 DPF 강제 재생이 수행될 수 있다.

이에, 배기 경로 상의 DOC의 전단에서 배기가스의 온도가 측정된다(S110). 측정된 온도는 발열반응을 촉진할 수 있는 소정 온도(약 235℃)와 비교된다(S120). 비교 결과 측정된 온도가 소정 온도 이하라면, 전술한 바와 같이 팬 펌프로 이루어진 강제부하 생성 수단을 구동하여 비-작업 부하를 생성하고 이를 엔진으로 제공한다(S130). 엔진은 비-작업 부하를 받아 구동됨으로써 붐, 버켓 등의 구동과 같은 실질적인 작업 부하가 없이 배기가스의 온도를 아이들 상태보다 더 빠르게 높일 수 있다(S140). 배기가스의 온도가 DOC의 발열반응이 촉진될 수 있는 소정 온도로 상승하면, DOC와 연료간의 발열반응에 의해 소정 온도(약 235℃)보다 더 높은 고온(약 6-700℃)이 생성되고 그를 통해 DPF 내에 포집되어 있던 미세먼지가 연소 제거(재생)된다(S150). 이후 재생이 완료되었는지 여부를 확인한 후(S160) DPF 강제 재생 방법이 종료된다.

덧붙여, 전술한 측정 온도 비교 단계(S120)에서 측정 온도가 소정 온도를 초과하는 것으로 판단되면, 강제부하 생성 수단이 구동중인지 여부를 확인한 후 구동중이라면 구동중인 강제부하 생성 수단을 정지시켜 비-작업 부하의 생성을 멈춘다(S170). 즉, 엔진으로 제공되는 비-작업 부하를 제거하여 엔진이 아이들 상태로 구동되도록 함으로써 불필요하게 연료가 소모되는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 엔진에 비-작업 부하를 제공하는 것은 배기가스의 온도를 DOC의 발열반응을 촉진할 수 있는 소정 온도까지 높이는 것을 목적으로 한 것이라는 점에서, 그 목적이 이루어진 상태를 확인한 이후에는 더 이상 '비-작업 부하'를 엔진으로 제공할 필요는 없는 것이다. 물론, 재생이 완료되기까지 지속적으로 DOC 전단의 배기가스의 온도를 측정하는 단계 및 이후 단계들(S110 내지 S160)을 반복함으로써, 실시간으로 비-작업 부하의 제공 여부를 결정하고, 그에 따라 불필요한 연료의 소모량을 줄일 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 DPF 강제 재생을 실시할 때 엔진이 아이들 상태로 구동되는 종래의 경우와 비교하여 더 빠르게 배기가스의 온도를 소정 온도로 높일 수 있도록 엔진으로 실질적인 건설기계의 작업 부하가 아닌 비-작업 부하를 제공함으로써 DPF 강제 재생에 소요되는 시간을 단축하고, 동시에 시간 단축에 따른 연료 소모량의 절감을 도모할 수 있다. 또한, 비-작업 부하를 배기가스의 온도에 따라 선택적으로 제공함으로써 배기가스의 온도가 소정 온도를 초과하는 경우에는 비-작업 부하의 제공을 차단하게 되어 결과적으로 연료 소모량의 절감을 도모할 수 있다.

100, 200: DPF 강제 재생 시스템
10, 110: 엔진(ENG)
12, 112: 터보 차저(T/C)
20, 120: 배기 경로
30, 130: 디젤미세먼지필터(DPF)
40, 140: 디젤산화촉매장치(DOC)
50, 150: 연료 투입 수단
60, 160: 펌프(팬 펌프)
162, 262: 비례제어밸브
164, 264: 비례제어신호
170: 오일 쿨러
172, 182: 팬 모터
174, 184: 냉각팬
180: 라디에이터
S: 제어 신호