[논문]전술차량 운용 특성에 따른 DPF 재생 제어 개선방안 연구

김선진; 박진원

doi:10.5762/kais.2018.19.6.689

전술차량 운용 특성에 따른 DPF 재생 제어 개선방안 연구
A study on control method of DPF regeneration according to operation characteristics of Light Tactical Vehicle 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.19 no.6, 2018년, pp.689 - 695

김선진 (국방기술품질원 기동화력센터 5팀) , 박진원 (국방기술품질원 기동화력센터 5팀)

초록
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본 연구는 배기가스 기준을 만족하기 위해 차량에 장착된 배기가스 후처리 장치(DPF)의 재생제어 방안에 대한 것이다. DPF는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 필터로 DPF에 포집된 PM은 일정 조건에 이르렀을 때 고온의 배기가스로 연소시킨다. 이러한 과정을 재생(Regeneration)이라 하는데 DPF의 정상적인 성능을 위한 필수 과정이다. 재생이 잘 되지 않을 경우, 차량의 성능저하와 심한 경우 차량의 화재로도 이어질 수 있다. DPF의 재생은 제어로직에 의해 수행되는데 재생제어 로직이 차량의 운용특성을 제대로 반영하지 못한 경우 DPF 재생이 이루어지지 않을 수 있다. 그렇기 때문에 전술차량의 운용특성을 파악하여 DPF가 정상적으로 재생될 수 있도록 하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 전술차량의 운용 특성과 DPF의 특성을 분석하여 이에 맞는 DPF의 재생 제어 로직을 추가하고자 한다. 더불어 추가된 재생 제어 로직에 따른 운용 시 발생될 수 있는 추가적인 문제점까지 동시에 개선하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents the means of controlling the regeneration of a diesel particulate filter (DPF) that is mounted on tactical vehicles to satisfy exhaust gas standards. The DPF captures particulate matter in the exhaust gas and combusts the captured particulate matter. This process is regeneration, which is essential to the normal performance of the DPF. Bad regeneration causes degradation of vehicle performance; worse, it can lead to a vehicle fire. DPF regeneration is performed by control logic. If the regeneration control logic does not properly reflect the operating characteristics of the vehicle, DPF regeneration may not occur. Consequently, it is very important to ensure the DPF operates properly by reflecting the operating characteristics of the tactical vehicle. This study analyzes the operational characteristics of a tactical vehicle and the DPF, and adds proper DPF regeneration control logic. Additionally, this study is intended to simultaneously improve the additional problems that may occur from operating under the added regeneration control logic.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

동시에 전술차량에 특화된 제어로직을 적용함에 따른 다음과 같은 문제점이 예상되어 추가적인 개선을 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 민수차량과 완전히 운용개념이 다른 전술차량이 운용되는 환경 및 차량의 특성 등을 분석하여 전술 차량 운용 특성에 맞는 DPF의 재생 제어 로직을 추가하고 이로 인해 발생 가능한 여러 문제점을 도출하고 이를 개선함으로써 차량 및 운용인원의 안전성을 확보하고 장비의 신뢰도를 높이고자 한다.
본 논문에서는 전술차량의 운용특성에 맞는 DPF 재생제어 로직을 추가하기 위해 전술차량과 DPF의 특성 등을 파악하여 장시간 공회전 상태로 운용될 수 있는 전술차량의 특성에 맞는 DPF 재생 제어 로직을 추가하였으며 그 내용은 다음과 같다.

제안 방법

4) DPF 내 입자상 물질 퇴적량 : 24g 이상 상기 내용을 바탕으로 10kW 발전기가 장착된 전술차량의 운용 특성을 고려한 재생조건을 추가하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
DPF 제어로직 추가를 통해 10kW 발전기 가동을 위해 장시간 공회전 되는 상태에서도 DPF가 재생될 수 있도록 하였다. 그러나 개선된 제어로직이 적용된 경우, 정차된 상태에서 공회전을 하는 운용 중에 DPF가 재생되기 때문에 이에 따른 추가적인 문제가 발생될 수 있다.
전술차량의 운용 특성을 반영하여 추가된 DPF 재생조건 중 가장 큰 특징은 차량이 정지된 상태(변속레버 P단)에서도 재생이 가능하도록 하였다는 점으로 이와 함께 발전기의 전원 스위치 ON 여부와 엔진가동 누적시간이 5시간이 될 때마다 재생이 될 수 있도록 제어로직을 추가하였다. 엔진가동 누적시간의 설정은 기존에 DPF재생 조건인 입자상 물질 퇴적량 24g을 기준으로 차량 공회전 상태로 발전기를 가동하여 입자상 물질 24g이 DPF에 퇴적되는 시간(5시간)은 전술차량 시험 간 해당 조건으로 운용하여 확인 후 적용하였다.
이러한 상황에서는 현재의 위치가 노출되는 위험한 상황이 되기 때문에 이에 대한 해결방안도 필요하였다. 이러한 위험을 없애기 위해서 전술차량에 장착된 등화관제 스위치가 선택되거나 DPF 재생경고 해제 스위치를 OFF 위치로 하는 경우에는 비상 경고등 및 경고음이 작동되지 않으면서도 DPF가 재생될 수 있도록 Fig. 8과 같이 전기 회로도를 수정하였다.
이러한 위험성이 사전에 인지되어 운용자에게 DPF가 정차 간 재생되고 있음을 알려주는 것이 필요하다고 판단되었다. 이를 위해 차량이 정차된 상태에서 DPF 재생이 진행되는 동안 알림 음이 울리고 경고등이 작동할 수 있도록 Fig. 8과 같이 전기장치 회로도를 수정하였다. 알림 음은 차량에 장착된 혼(HORN)을 활용하였으며, 경고등은 비상 경고등을 활용하였다.
이와 같이 추가된 제어로직에 대한 정상작동여부에 대한 확인은 전술차량의 개발 단계 중 이루어지는 시험평가 중 하나인 운용시험평가(OT&E, Operational Test& Evaluation) 기간 동안 확인하였으며, 추가된 조건에서 문제없이 작동되었다.
전술차량에 적용된 S2 엔진은 연료 후분사(Post Injection) 방식을 통해 포집된 PM을 연소시키는 강제재생방식이 적용되어 있으며, 향후 DPF로 인해 발생가능한 문제점을 분석하기 위해 실제로 운용중인 전술차량을 대상으로 여러 상황 하에서 Fig. 4와 DPF 출구 및 배기파이프 끝단부에서 배기가스의 온도를 측정하였다.
전술차량은 앞서 서론에서 언급하였듯이 민수차량에 적용되는 S2엔진을 전술차량의 요구 특성에 맞도록 일부분을 군용화하였다. 전술차량은 Fig.
전술차량의 운용 특성을 반영하여 추가된 DPF 재생조건 중 가장 큰 특징은 차량이 정지된 상태(변속레버 P단)에서도 재생이 가능하도록 하였다는 점으로 이와 함께 발전기의 전원 스위치 ON 여부와 엔진가동 누적시간이 5시간이 될 때마다 재생이 될 수 있도록 제어로직을 추가하였다. 엔진가동 누적시간의 설정은 기존에 DPF재생 조건인 입자상 물질 퇴적량 24g을 기준으로 차량 공회전 상태로 발전기를 가동하여 입자상 물질 24g이 DPF에 퇴적되는 시간(5시간)은 전술차량 시험 간 해당 조건으로 운용하여 확인 후 적용하였다.
전술차량의 운용조건에 맞는 DPF 재생 제어로직에 대한 적용방안을 위해 10kW 발전기가 미 장착된 전술 차량과 민수차량(모하비)의 정비지침서 등을 바탕으로 기본적인 DPF의 재생조건에 대해 먼저 확인해보았으며. 그 조건은 다음과 같다.
최근 우리나라에서 개발한 전술차량(Light Tactical Vehicle, LTV)은 오래전부터 운용된 ¼톤 및 1¼톤 계열 차량을 대체하는 것으로 전술차량에 필요한 기동성(Mobility), 생존성 그리고 다목적성(Multi Purpose)을 기본으로 설계되었다. 특히, 파워 트레인(Powertrain)은 기존의 전술차량과 달리 8단 자동변속기를 적용하였으며, 엔진은 모하비 및 베라크루즈에 적용된 S2엔진으로 배기가스 규제기준인 EURO 5를 충족한다[1-2].

대상 데이터

전술차량은 앞서 서론에서 언급하였듯이 민수차량에 적용되는 S2엔진을 전술차량의 요구 특성에 맞도록 일부분을 군용화하였다. 전술차량은 Fig. 2와 같이 총중량5톤의 기본형(단축형)과 총중량 7톤의 장축형의 두 가지 플랫폼(Platform)으로 개발되었다. 단축형(Type Ⅰ) 차량은 지휘 및 기갑수색 차량 등에 사용되며, 장축형(Type Ⅱ)은 정비차량이나 통신장비 탑재차량 등으로 사용된다.

성능/효과

배기가스의 온도측정결과는 Table 1과 같이 DPF가 재생되는 동안 배기가스의 온도가 급격히 상승되는 것을 확인할 수 있었으며, Table 1과 같이 DPF 출구 쪽의 온도는 658.3℃, 배기파이프 끝단 부 온도는 417℃로 확인되었다.
본 연구를 통해 전술차량의 운용 특성에 맞는 부품의 제어로직을 추가함으로써 Table 2와 같이 장비 운용 간 발생할 수 있는 문제점을 사전에 차단하여 운용 인원 및 장비의 안전을 확보하고 장비의 신뢰도를 높일 수 있었다.

후속연구

본 연구의 결과를 통해 향후 유사장비 개발 시에 고려할 수 있는 하나의 가이드라인으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근 우리나라에서 개발한 전술차량의 특징은?	최근 우리나라에서 개발한 전술차량(Light Tactical Vehicle, LTV)은 오래전부터 운용된 ¼톤 및 1¼톤 계열 차량을 대체하는 것으로 전술차량에 필요한 기동성(Mobility), 생존성 그리고 다목적성(Multi Purpose)을 기본으로 설계되었다. 특히, 파워 트레인(Powertrain)은 기존의 전술차량과 달리 8단 자동변속기를 적용하였으며, 엔진은 모하비 및 베라크루즈에 적용된 S2엔진으로 배기가스 규제기준인 EURO 5를 충족한다[1-2].
	배기가스 후처리장치가 정상적으로 재생되지 않는 경우 어떤 문제가 생기는가	DPF가 정상적으로 재생되지 않는 경우에는 배기계통 배압(Back pressure)에 의해 엔진출력저하가 발생될 수 있으며, 심한 경우 차량의 화재까지 발생될 수 있다. DPF가 정상적으로 재생되지 않는 경우로는 ECU의 고장과 ECU로 데이터를 주는 센서(Sensor)들의 고장과 같은 부품불량에 의한 문제가 대부분이지만, 최초에 ECU에 입력된 DPF 재생 제어로직이 차량의 운용 환경과 완전히 다른 경우에도 정상적인 재생이 수행되지 않을 수 있다.
	전술차량에 적용된 S2 엔진의 군용화에 고려한 점은?	전술차량에 적용된 S2 엔진은 냉시동성(-32℃), 등판능력(종경사 60%), 냉각성능 증대(60% 견인부하 조건)등을 고려하여 일부 군용화(Military Use Development) 하였으며, 배기가스 기준은 민수와 동일한 EURO 5를 충족하기 위해 배기가스 후처리장치(DPF, Diesel Particulate Filter)가 장착되어있다[3].

참고문헌 (11)

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Song, J. Y., Sa, S. H., Nam, J. W., Cho, Y. J., Kim, J. P. and Park, N. K., "Ananlysis on vehicle fires caused by damage of Diesel Particulate Filter(DPF)", Fire science and engineering, vol. 26, no. 4, pp. 70-76, 2012. DOI: http://doi.org/10.7731/KIFSE.2012.26.4.070

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Park, C. H., Choi, H. S., Sim, W. C., Lee, H. C., Kim, K. W., Cheon, S. H. and Han, D. G., "Study on the effect of DPF characteristics on internal temperature of DPF during active regeneration", KSAE Fall conference, pp. 911-916, 2009
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Hwang, C. K., Lee, S. J., Park, C. M. and Lee, J. H., "The Study of Pulling Out the Strategies of Soot Regeneration and Minimization of Oil Dilution in DPF Equipped DI Diesel Engine for Engine Basic Calibration", KSAE Fall Conference, pp. 382-389, 2006
Kim, G. S. and Park, S. C., "A Study on the Regeneration point of Diesel Particulate Filter System according to the Driving Condition on Medium-duty Diesel Engine", KSMT, vol. 16, no. 2, pp. 1255-1260, 2014. DOI : http://doi.org/10.17958/ksmt.16.2.201404.1255
Choi, M. H., Yoon, S. J. and Park, S. W., "Research on Post Injection for Diesel Particulate Filter Regeneration", ILASS-KOREA, vol. 22, no. 2, pp. 87-95, 2017

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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