KR100587807B1 - 차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 차량의 배기계에서 배출되는 NOx를 보다 효과적으로 정화하기 위하여 NO와 NO2의 비율이 조절되도록 하기 위한 차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어방법에 관한 것으로,
배기가스 중에 포함된 HC, CO의 배기방출량을 줄이기 위해 배기 파이프의 도중에 SCR이 형성되고, 상기 SCR의 전방에는 NO2/NOx 비율을 일정비율로 맞추기 위한 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)가 형성되는 차량의 배기계의 촉매장치에 있어서,
상기 DOC의 전방에 마련된 온도센서에서 배기가스의 온도를 측정하는 단계와;
기설정된 NOx 맵을 기초로 상기 단계에서 측정된 배기가스 온도에 따라서 SCR에서 요구되는 암모니아량을 구하는 단계와;
상기 단계에서 구해진 암모니아량의 비율을 맞추기 위해서 상기 SCR에 요소(urea)를 투입하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
SCR, 디젤 촉매, NOx

Description

차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어방법{Control method of SCR}
도 1은 본 발명에 의한 차량 촉매장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 구성을 설명하기 위한 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 제어로직을 표시한 도면.
※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10 : 배기 파이프
20 : SCR
30 : DOC
40 : 온도 센서
50 : 요소주입구
본 발명은 차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 차량의 배기계에서 배출되는 NOx를 보다 효과적으로 정화하기 위하여 NO와 NO2의 비율이 조절되도록 하기 위한 차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어방 법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프의 도중에 형성된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 배기파이프를 통해 대기 중으로 방출된다. 상기한 촉매 컨버터는 매연여과장치(DTF, Diesel Particulate Filter)의 일종으로 배출가스에 포함되어 있는 오염물질을 처리하는 역할을 하는 것이다. 그리고 상기한 촉매컨버터 내부에는 배기가스에 포함된 입자상 물질(PM)을 포집하기 위한 촉매담체가 형성되어 엔진에서 배출되는 각종 배기가스를 화학적 변환과정을 통하여 정화시키게 되는 것이다.
상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 선택적 촉매 환원 장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)가 있다. 선택적 촉매 환원 장치(SCR)는 THC, CO 등과 같은 환원제가 산소와 NOx 중에서 NOx와 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 '선택적' 촉매환원이라고 명명되고 있다.
선택적 환원 촉매 중에서 암모니아-SCR은 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아를 사용하는 것으로 NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라, 산소가 존재하는 경우에 NO와 암모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있어 디젤 배기가스에 적용하기에 유리한 것으로 알려져 있다.
실제로 암모니아-SCR은 대형 고정오염원인인 화력발전소에 적용되어 그 성능이 입증된 바 있다. 이러한 암모니아-SCR을 자동차에 적용하여 NOx를 선택적으로 제거하고자 하는 것이 요소-SCR(Urea-SCR)이다. 상기한 요소-SCR은 요소 수용액을 SCR 촉매 상류에 주입하여 요소가 분해되면서 생성되는 암모니아를 사용하여 NOx를 선택적으로 환원시키는 것이기 때문에 SCR 촉매를 기준으로 보았을 때에는 암모니아-SCR이라고 볼 수 있다.
보통 요소-SCR에서는 요소의 주입량이 증가하게 되면 NOx 정화율도 증가하는 경향을 보인다. 그러나 일정량 이상의 요소를 주입하게 되면, 주입된 요소 중 일부가 분해되지 않거나 반응하지 않고 남게 되는 암모니아의 양이 증가하게 된다. 따라서 요소 SCR에서는 요소의 사용량을 최소화하면서 NOx 정화율을 높이는 것이 매우 중요하다.
SCR 촉매가 적용되는 종래의 장치로는 본원인에 의해서 출원되어 대한민국 특허공보(등록번호 10-0398099호)에 등록된 촉매 시스템과, 일본특허공보(특개평-085560호)에 등록된 촉매 시스템 정도가 있는데 이러한 촉매 시스템은 자동차에 적용하여 최적성능을 얻어내는 데에는 한계가 있다. 상기한 대한민국 특허공보(등록번호 10-0398099호)에 실린 기술은 NO2/NOx의 비율을 고려하지 않은 것으로서 요소-SCR 시스템의 최적성능을 이끌어낸 것으로 보기 어렵다. 그리고 상기한 일본특허공보(특개평-085560호)에 실린 기술은 NO2>NO인 경우에는 NOx 저감성능이 저하되기 때문에 NO2를 NO로 환원시키기 위하여 환원제를 넣어주게 되는 것이다. 그러나 자동차 배기가스 중에는 NO가 차지하는 비율이 90% 이상을 차지할 정도로 많이 존재하기 때문에 일본특허공보(특개평-085560호)에 실린 기술의 경우에는 적용가능성이 떨어질 뿐만 아니라 NOx의 저감을 위해서는 오히려 환원제를 넣어주어야만 하는 문제점 이 있었다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해서 안출된 것으로서, 차량의 배기계에서 배출되는 NOx를 보다 효과적으로 정화하기 위하여 NO와 NO2의 비율이 조절되도록 하기 위한 차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어방법를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 수단으로서,
배기가스 중에 포함된 HC, CO의 배기방출량을 줄이기 위해 배기 파이프의 도중에 SCR이 형성되고, 상기 SCR의 전방에는 NO2/NOx 비율을 일정비율로 맞추기 위한 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)가 형성되는 차량의 배기계의 촉매장치에 있어서,
상기 DOC의 전방에 마련된 온도센서에서 배기가스의 온도를 측정하는 단계와;
기설정된 NOx 맵을 기초로 상기 단계에서 측정된 배기가스 온도에 따라서 SCR에서 요구되는 암모니아량을 구하는 단계와;
상기 단계에서 구해진 암모니아량의 비율을 맞추기 위해서 상기 SCR에 요소(urea)를 투입하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며,
상기한 NOx 맵에는 여러상태의 엔진 속도와 부하에 따른 최적의 NOx 발생량이 입력되어 제어가 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명에 의해 구성되는 차량 배기계의 촉매장치의 구성 및 작동에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면과 함께 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 의한 차량 촉매장치의 구성도이고, 도 2는 본 발명의 구성을 설명하기 위한 그래프이며, 도 3은 본 발명에 의한 제어로직을 표시한 도면이다.
도 1에 표시되는 도면부호 10과 20은 각각 SCR과 DOC를 지시하는 것으로서, 상기 SCR은 선택적 촉매 환원 장치(Selective Catalytic Reduction)를 설명의 편의상 간단히 표현한 것이고, DOC는 디젤 산화 촉매(Diesel Oxidation Catalyst)를 설명의 편의상 간단하게 표현한 것이다.
본 발명은 질소산화물(NOx)을 정화시키기 위한 요소-SCR을 제공하기 위한 것으로, 차량 배기계의 NOx를 효율적으로 정화하기 위한 시스템으로 도 1에 도시되는 바와 같이 배기 파이프(10)의 도중에는 SCR(20)이 형성되고, 상기 SCR(20)의 전방에는 DOC(30)를 추가로 설치된다.
그리고 DOC(30)의 전방에는 배기가스의 온도를 측정하기 위한 온도센서(40)가 마련되고, DOC(30)와 SCR(20)를 연결하는 배기파이프(10)의 도중에는 요소(urea)의 투입을 위한 요소주입구(50)가 형성된다.
본 발명의 구성을 위한 SCR의 촉매 상에서의 NOx를 질소를 환원시켜 제거하는 반응은 다음과 같이 정리된다.
4NH3 + 6NO -> 5N2 + 6H2O 반응느림
4NH3 + 4NO + O2 -> 4N2 + 6H2O 반응보통
8NH3 + 6NO2 -> 7N2 + 12H2O 반응느림
4NH3 + 2NO2 + O2 -> 3N2 + 6H2O 반응보통
2NH3 + NO + NO2 -> 4N2 + 6H2O 반응빠름
상기와 같이 디젤 배기가스 중 NOx는 5~10%만이 NO2로 구성되면 90% 이상의 NO로 구성되기 때문에 SCR 촉매 상류쪽에서 산화처리를 해주지 않으면, NO와 암모니아 사이의 반응이 주가 된다. 반면에 상기한 바와 같이 NO와 NO2가 거의 동일 비율로 존재하는 경우에는 NO와 NO2가 함께 반응에 참여하는 가장 빠른 반응경로를 따라 반응이 진행되게 된다.
따라서 SCR 촉매의 상류쪽에 디젤 산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst)를 설치하여 NO2의 생성을 촉진하는 방식을 취하는 것이 유리하게 되는 것이다. 그러나 NO2가 NO보다 많아지게 되면 더 많은 암모니아가 필요하게 되는 문제점이 있다. 따라서 NO2가 NO보다 과다하게 생성되지 않고 NO와 비슷한 비율을 유지하도록 하는 것이 중요하다. 그리고 HC, CO의 제거가 선행되면 더 좋은 NOx 정화율이 나타나게 된다.
본 발명에서는 상기한 바에 근거하여 도 1과 같이 장치되는 배기가스의 촉매 시스템을 마련하여, SCR(20) 전방쪽에 DOC(30)를 설치하여 NO2의 비율을 높이고, HC 및 CO의 제거를 통하여 SCR(20)의 촉매 정화율이 향상되도록 한다. DOC(30)와 SCR(20) 사이에는 요소(ures)를 주입하여 SCR(20)에 암모니아를 공급하며, 경우에 따라서는 SCR(20)의 전단에 가수분해 촉매의 장착이 가능하고, 그 후방측에는 여분의 암모니아, HC, CO 등을 처리하기 위한 별도의 DOC가 장착될 수도 있는 것이다.
한편, 상기한 온도센서(40)에서 측정되는 배기가스의 온도는 본 발명에 의한 장치의 제어 로직을 제어하는 기초로 사용된다.
온도가 증가할수록 DOC(30)의 산화반응 활성은 증가하게 된다. 그러나 HC,CO와는 달리 NO의 산화는 도 2에 표시된 바와 같이 열역학적 한계가 존재하게 된다. 따라서 DOC(30)를 선택하여 장착하는데 있어서 DOC(30)의 촉매온도가 열역학적 한계에 의하여 NO2/NOx = 0.5 가 얻어지는 온도 부근에 주로 머물게 된다. 이렇게 되면 최상의 NO + NO2 혼합물을 얻을 수 있게 되어 NOx 정화율의 향상을 도모할 수 있게 된다. 따라서 본 발명에 의한 시스템에서는 DOC(30)에서의 NO2/NOx 비율이 0.4~0.6의 범위 내에서 형성될 수 있도록 하는데 목표를 둔다.
SCR(20)의 촉매의 경우에는 온도가 증가하면서 NOx 정화율이 증가하다가 감소하는 경향성을 보이는 것이 보통이다. 그러나 통상적인 디젤 배기가스의 온도 범위에서는 온도와 NH3/NOx 비율이 증가할수록 SCR(20)의 촉매정화율이 증가하게 된 다.
본 발명에 의한 시스템에 대하여 최적성능을 이끌어낼 수 있는 제어 로직은 여러가지 엔진 속도 및 부하에 따라 구해진 NOx 생성량을 기초로 하여 도 3에 도시된 바와 같은 NOx 맵이 작성된다. 또한, 엔진의 운전 중에 얻어지는 특정 엔진 속도 및 부하를 기준으로 NOx 맵에서 NOx 발생량을 구한다.
상기와 같이 NOx의 발생량이 얻어진 다음에는 DOC(30) 내의 촉매를 통과한 후의 NO2를 어느 정도 얻을 수 있는지 구하게 된다. 이때 사용되는 것이 DOC(30)의 전방측에 마련된 온도 센서(40)이다. 상기한 온도 센서(40)에서 측정된 DOC(30) 전방의 온도를 사용하여 해당 NOx 발생량에 따른 O2/NOx의 비율을 구한다. 이렇게 얻어진 온도, NO 농도, NO2 농도에 근거하여 SCR 촉매 상에서 요구되는 암모니아의 양을 구하여 요소 주입량이 결정된다.
상기한 단계에서 결정된 요소 주입량에 따라서 SCR(20)의 전방에 마련된 요소 주입구(50)로는 요소가 주입된다.
상기와 같이 요소주입구(50)를 통하여 해당량의 요소가 주입되므로서 NO2/NOx 의 비율이 0.4 ~ 0.6 범위 내에서 얻어질 수 있게 된다.
한편, 상기한 SCR의 전방에서 NO2/NOx 비율을 일정비율로 맞추어 주기 위한 DOC는 이와 동일한 기능을 수행할 수 있는 범위 내에서라면 플라즈마 반응기로 대체될 수 있도록 구성될 수 있는 것이다.
이상과 같이 구성되는 본 발명에 의하면, 엔진의 회전속도 및 부하 등을 기초로 얻어진 NOx 맵에 해당되는 배기가스의 온도에 따라서 SCR의 전방에 마련된 요소주입구를 통하여 NO2/NOx 의 비율이 0.5 정도가 유지되도록 하기 위한 요소량이 주입되므로서 배기가스가 SCR을 통과하는 과정에서 정화효율이 향상되는 커다란 장점이 있는 것이다. 또한, SCR의 정화 성능의 향상은 차량의 배기계에 장차되는 촉매의 수 및 귀금속량을 줄일 수 있게 되는 장점이 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 배기가스 중에 포함된 HC, CO의 배기방출량을 줄이기 위해 배기 파이프의 도중에 SCR이 형성되고, 상기 SCR의 전방에는 NO2/NOx 비율을 일정비율로 맞추기 위한 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)가 형성되는 차량의 배기계의 촉매장치에 있어서,
    상기 DOC(30)의 전방에 마련된 온도센서에서 배기가스의 온도를 측정하는 단계와; 기설정된 NOx 맵을 기초로 상기 단계에서 측정된 배기가스 온도에 따라서 SCR(20)에서 요구되는 암모니아량을 구하는 단계와: 상기 단계에서 구해진 암모니아량의 비율을 맞추기 위해서 상기 SCR(20)에 요소(urea)를 투입하는 단계; 를 포함하여 이루어지되,
    상기한 NOx 맵은 상기 DOC(30)에서의 NO2/NOx 비율이 0.4~0.6의 범위 내에서 형성될 수 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기한 NOx 맵에는 여러상태의 엔진 속도와 부하에 따른 최적의 NOx 발생량이 입력되어 제어가 이루어지는 것을 특징으로 차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어방법.
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기한 SCR(20)의 전방에서 NO2/NOx 비율을 일정비율로 맞추어 주기 위한 장치는 플라즈마 반응기로 대체할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 차량 배기계의 선택적 촉매장치의 제어방법.
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