KR100857346B1 - Ｓｏｏｔ 영향을 고려한 Ｕｒｅａ 분사 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Soot 량에 따른 NO₂/NOx비를 예측하는 단계와, 환원제 량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법을 제공한다.
배기부, 차압센서, 환원제, ash, 분사

Description

Ｓｏｏｔ 영향을 고려한 Ｕｒｅａ 분사 방법{Urea Injecting Method Concerning Soot Influence}
도 1은 본 발명인 Urea 분사 시스템의 계략도.
도 2는 본 발명의 순서도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: DPF 200: DOC
210: 차압센서 400: SCR
본 발명은 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 연료 후분사에 의하여 Soot가 연소되는 것에 대한 영향을 고려하여 환원제 량을 조절하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법에 관한 것이다.
자동차는 형태에 따라서 승용차나, 버스 및 트럭 등으로 분류하지만, 같은 차종이라도 사용하는 연료에 따라서 가솔린을 연료로 사용하는 가솔린 차량이나 디젤을 연료로 사용하는 디젤 차량 및 LPG(Liquefied Petroleum Gas)를 연료로 사용하는 LPG 차량으로 부르기도 한다.
상기 디젤 차량은 산소 과잉분위기에서 연소되므로 가솔린 엔진에 비해서 유해물질인 NOx의 발생량이 상당히 많다. 그리고 이러한 NOx제거기술로서 가장 활발히 개발 진행되는 것이 Urea(요소)-SCR(Selective Catalytic Reduction)시스템이다.
상기 Urea-SCR 시스템은 요소를 수용액 형태로 배기 가스라인에 공급하여 NOx와 NH2-CO-NH2 (요소;Urea)를 반응시켜 NOx를 N2 + O2 로 변환시키는 방법이다.
상기 Urea-SCR 시스템은 가솔린 엔진에 비해서 유해물질인 NOx의 발생량이 상당적으로 많은 디젤차량에 사용되고, 요소를 수용액 형태로 배기 가스라인에 공급하여 NOx와 NH2-CO-NH2 (요소;Urea)를 반응시키고 NOx를 N2 와 O2 로 변환시킴으로써 NOx를 제거한다.
한편, 디젤엔진으로부터 나오는 오염가스중 하나인 NOx (x = 1.2)에 있어서 NO가 차지하는 비율은 90%이상이다.
그리고 NO/NO₂의 비가 1일 때 가장 좋은 NOx 정화율를 가지게 된다. 이에 따라, SCR 촉매 전단부에 위치한 산화촉매에 의한 NO의 산화반응을 발생시킴으로써 NO₂의 양을 증가시켜 NO/NO₂의 비를 1:1로 해주게 된다.
즉, NO₂ 50 % 일 때 NOx 전환율이 가장 우수하며 200 ℃ 이상에서 90 % 이상의 NOx 전환율을 가진다. 이에 반해 순수 NO를 반응가스로 사용할 경우 200℃에서 15% NOx 전환율을 가진다. NOx 전환율에 대한 NO₂ 영향이 고온 (300℃ 이상)에서 보다 저온 (300 ℃ 이하)에서 더 크며, 최대 NOx 전환율을 얻기 위해서는 NO₂/NOx 가 0.5 (50%) 일 때가 순수 가스 일 때보다 더 많은 양의 환원제가 필요하다.
한편, 디젤엔진에서는 PM(입자상물질)을 저감하기 위해 CPF (catalytic particulate filter) 사용 배기계 쪽에 PM을 걸러주는 필터 시스템을 적용하고 있다.
그리고 상기 배기계에 일정량의 soot(그을음)가 쌓이게 되면 soot에 의해 배기계가 막히는 것을 방지하기 위해 연료 후분사한다.
상기 연료 후분사를 통해 배기가스 온도를 상승시켜 쌓여있는 soot을 연소시키면 배기계에 쌓여 있던 soot가 연소되어 배기가 원활하게 이루어진다.
그러나 C를 포함하는 soot의 연소 과정에서 2C+ 3/2NO₂ → CO +CO2 + NO와 같은 화학 반응이 일어나서, 상기 NO₂가 감소하고 NO₂/NOx의 비가 0.5가 되지 않는다(CRT 효과).
따라서, 이에 따른 환원제인 NH₃의 분사량을 조절하지 않을 경우 과다한 환원제 주입으로 인한 NH₃ slip 현상이 일어나게 된다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, soot가 연소되는 것을 고려하여 환원제인 NH₃의 분사량을 조절하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이러한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 Soot 량에 따른 NO₂/NOx비를 예측하는 단계와, 환원제 량을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법을 제공한다.
그리고 CRT가 일어나기 위한 배기가스의 온도조건을 고려하는 단계를 포함할 수 있고, Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계를 포함할 수 있으며, 전체 배압 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, ash퇴적에 의한 배압을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명인 Urea 분사 시스템의 계략도이고, 도 2는 본 발명의 순서도이다.
본 발명인 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법의 구성은 DOC(Diesel Oxidential Catalytic)(200)와 DPF(Diesel Particulate Filter)(100)를 포함하는 배기부에 마련된 차압센서(210)와, 상기 차압센서(210)와 연결된 환원제 제어부(DCU)(300)와, 상기 환원제 제어부(300)와 연결된 환원제 주입장치(310)를 포함하여 구성된다.
그리고 상기 배기부에는 배기가스가 화살표(220) 방향으로 유입되고, 상기 환원제 주입장치(310)에 의해 주입된 환원제에 의해 SCR(Selective Catalytic Reduction)(400)를 포함하는 Urea(요소)-SCR(Selective Catalytic Reduction)시스템이 진행된다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명인 Soot(그을음) 영향을 고려한 Urea 분사 방법은 엔진 시동 단계인 제 1 단계(500)와, 상기 제 1 단계(500)를 거친 후에 CRT가 일어나기 위한 배기가스의 온도조건 단계인 제 2 단계(600)와, 상기 제 2 단계(600)를 거친 후에 Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계인 제 3 단계(700)와, 상기 제 3 단계(700)를 거친 후에 Soot 량에 따른 NO₂/NOx비를 예측하는 단계인 제 4 단계(800)와, 상기 제 4 단계(800)를 거친 후인 환원제 량을 조절하는 단계인 제 5 단계(900) 및 상기 제 5 단계(900)를 거친 후에 진행되는 재생 단계인 제 6 단계(950)를 포함하여 이루어진다.
그리고 제 3 단계(700)인 상기 Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계는 전체 배압 측정하는 단계인 제 3-1 단계(710)와 ash퇴적에 의한 배압을 측정하는 단계인 제 3-2 단계(720)를 포함한다.
본 발명인 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법을 좀 더 자세히 설명하면 다음과 같다.
상기 제 1 단계(500)인 엔진 시동 단계는 RPM에 따른 질량 유속 값을 예측하는 과정이다.
그리고 상기 제 2 단계(600)인 CRT가 일어나기 위한 배기가스의 온도조건 단계는 다음과 같다.
우선, CRT 효과란 배기계에 일정량의 soot가 쌓이게 되면 soot에 의해 배기 계가 막히는 것을 방지하기 위해 상기 배기계로 연료를 분사하는 연료 후분사가 진행되고, 상기 연료 후분사를 통해 배기가스 온도를 상승시켜 쌓여있는 soot을 연소시키면 배기계에 쌓여 있던 soot가 연소되어 배기가 원활하게 이루어지지만, 상기 soot의 연소에 의해 상기 NO₂가 감소하여 NO₂/NOx의 비가 0.5가 되지 않는 것을 말한다.
그리고 상기 제 2 단계(600)는 상기 배기 가스 온도를 측정하는 단계인데, 상기 CRT 효과와 관련된 상기 배기 가스 온도에 따라 soot의 연소량과 NO₂/NOx의 비가 영향을 받기 때문에 배압 가스 온도를 측정하여 필요한 경우에 상기 제 3 단계(700)인 Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계에 반영하는 과정이다.
상기 제 3 단계(700)인 Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계는 배기계에서 연소되는 Soot의 양을 직접 구할 수 없기 때문에 배기계에 작용하는 여러 압력 요소를 고려하여 Soot 영향에 따른 배압 값을 구하는 과정이다.
그리고 제 3 단계(700)인 상기 Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계는 전체 배압 측정하는 단계인 제 3-1 단계(710)와 ash퇴적에 의한 배압을 측정하는 단계인 제 3-2 단계(720)를 포함한다.
또한, 상기 Soot 영향에 따른 배압 값을 구하는 과정은 다음 식과 같다.
1) Ptotal = (Psoot + Pash 퇴적 + P시스템) * α
2) α * Psoot = Ptotal - α * Pash 퇴적 - α * P시스템
상기 식 1)과 2)에서 Ptotal는 전체 배압이고, Psoot는 soot 퇴적에 의한 배압이며, Pash는 ash 퇴적에 의한 배압이고, α는 질량 유속에 의한 영향을 나타내 는 변수이다.
그리고 상기 P시스템은 시스템에 걸리는 배압이며, 시간에 따라 변하지 않으므로 상수 K 값을 가진다.
α * Psoot은 다음과 같은 절차를 통해 구한다.
1. Ptotal 값은 상기 차압센서(210)를 통해 구한다.(제 3-1 단계(710))
2. α * P시스템은 질량 유속에 따른 시스템에 걸리는 배압을 알고 있다는 가정하에 시간(거리)에 따라 변하지 않으므로 상수 값 K을 가진다.
3. α * Pash 값은 Ash 량 퇴적 시 질량유속에 따른 배압 값 및 시간(거리)에 따른 Ash 퇴적 양을 구해야 한다. Ash 퇴적 량은 연료 및 oil 소모량에 의해 직접적으로 영향을 받으므로 이를 고려하여 Ash 퇴적량을 구한다.
그리고 상기 Ash 량에 따라 질량유속에 따른 배압 차 값을 알 수 있으므로, 최종적으로 α * Pash 값을 구하게 된다.(제 3-2 단계(720))
상기 1 ~ 3 항목에서 구해진 값을 식 2)에 대입할 경우 α * Psoot 값을 구할 수 있다. α * Psoot 값은 일정 soot loading 시 질량유속에 따른 배압값이다.
상기 제 4 단계(800)인 Soot 량에 따른 NO₂/NOx비를 예측하는 단계는 상기 제 3 단계(700)에 의하여 얻어진 soot 퇴적에 의한 배압을 통하여 알게된 Soot 량에 따라서 상기 NO₂/NOx비를 예측하는 과정이다.
그리고 상기 제 5 단계(900)인 환원제 량을 조절하는 단계는 상기 제 4 단계(800)를 통하여 예측된 NO₂/NOx비에 따라서 배기계에 유입되는 환원제 량을 상기 환원제 제어부(DCU)(300)와 상기 환원제 주입장치(310)에 의해 조절하는 단계이 다.
또한, 상기 제 5 단계(900)를 거친 후에 진행되는 재생 단계인 제 6 단계(950)는 제 5 단계(900)에서 투입된 환원제(NH₃)에 의하여 NO₂를 포함한 NOx가 N2로 전환되는 과정이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 예측된 Soot량에 따라 NO₂/NOx 비율 감소을 예측하여 환원제 주입량을 감소시키는 효과가 있다.
그리고 CRT가 일어나기 위한 배기가스의 온도조건을 고려하는 단계와, Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계를 통하여 Soot량을 예측할 수 있다.

Claims (5)

  1. Soot 량에 따른 NO₂/NOx비를 예측하는 단계와:
    환원제 량을 조절하는 단계:
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 Soot 영향에 따른 배압 값을 예측하는 단계에 반영하기 위해 CRT가 일어나기 위한 배기가스의 온도조건을 고려하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법.
  4. 청구항 3에 있어서,
    전체 배압 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법.
  5. 청구항 3 또는 청구항 4에 있어서,
    ash퇴적에 의한 배압을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 Soot 영향을 고려한 Urea 분사 방법.
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