KR100867799B1 - 요소를 이용한 선택적 촉매 환원 차량의 엔진 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 요소를 이용한 선택적 촉매 환원 차량의 엔진 제어방법은, 엔진 시동이 판정되면, 엔진이 시동된 횟수를 1회씩 누적시켜 저장하고 주행 마일리지 및 요소 소비량을 누적하는 단계; 엔진이 시동된 횟수가 설정횟수 이상인지를 판단하는 단계; 엔진이 시동된 횟수가 설정횟수 이상이면 엔진의 출력을 제한하는 출력제한로직을 작동시키는 단계; 엔진이 시동된 횟수가 설정값 미만이면, 주행 누적 마일리지가 설정거리 이상인지, 요소 누적 소비량이 설정량 이상인지를 판단하는 단계; 및 주행 누적 마일리지가 설정거리 이상이거나 또는 요소 누적 소비량이 설정량 이상이면 시동이 다시 걸리지 아니하도록 하는 재시동 불가로직을 작동시키는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명에 의한 엔진 제어방법을 이용하면, 보다 정확한 시점에 요소 주입을 유도하여 절소산화물 배출을 방지할 수 있고, 위급 상황에서의 시동불가로 인해 발생될 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다.

엔진, 질소산화물, 요소, 유도, 시동횟수, 주행 마일리지

Description

요소를 이용한 선택적 촉매 환원 차량의 엔진 제어방법{Method for controlling engine of UREA-SCR vehicle}

도 1은 본 발명에 의한 엔진 제어방법의 순서도이다.

도 2는 재시동 불가로직이 작동된 상태에서의 엔진 재시동 가부 판정 순서도이다.

본 발명은 요소를 이용한 선택적 촉매 환원 차량의 엔진 제어방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 엔진 시동횟수뿐만 아니라 주행 마일리지와 요소 소비량 등을 이용하여 요소의 잔존량을 보다 정확하게 판단할 수 있고, 이에 따라 보다 정확한 시점에 운전자에게 요소 주입을 유도할 수 있도록 구성되는 엔진 제어방법에 관한 것이다.

최근 환경오염의 문제로 배기가스 내의 질소산화물을 저감시키고자 하는 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 이와 같은 질소산화물 저감(De-NOx)을 위한 후처리 기술은 크게 두 가지로 분류할 수 있다.

첫째는 질소산화물 흡장 물질을 적용한 질소산화물 흡장촉매(Lean NOx Trap : LNT)이다. 그러나 질소산화물 흡장하는 LNT 촉매를 이용하기 위해서는 디젤엔진에서 이론공연비(14.7) 이하의 운전 영역 구현이 가능하여야 한다.

또한, 이론공연비 이하의 영역(Rich Spike)을 만들기 위해 엔진 후분사 기술을 이용해야할 뿐만 아니라 배기관 내에 연료를 2차 분사해야하므로, 연비의 손실이 크다는 단점이 있다.

질소산화물을 저감시키기 위한 둘째 방법은 요소(UREA) 수용액을 배기관에 분사하여 배기가스 중의 질소산화물을 저감시키는 '요소를 이용한 선택적 촉매 환원'(UREA-Selective Catalyst Reduction : 이하 UREA-SCR이라 약칭함)시스템을 사용하는 방법이다. 배기관 내로 분사된 요소수용액(UREA Solution)은 배기관 내의 열에 의해 열분해(분해온도 : 156도)되거나 촉매와 접촉하여 접촉분해 됨으로써, 아래 [식 1]과 같이 한분자의 요소가 두 분자의 암모니아로 전환된다.

[식 1]

(NH₂)₂C0 + H₂O → 2NH₃ + CO₂

이렇게 전환된 암모니아는 아래 [식 2]와 같이 배기가스 중의 질소산화물과 SCR(Selective Catalyst Reduction : 선택적 촉매 환원)반응되어, 차량 외부로는 질소와 물이 배출된다.

[식 2]

4NH₃ + 4NO +O₂ → 4N₂ + 6H₂O

4NH₃ + 2NO₂ +O₂ → 3N₂ + 6H₂O

8NH₃ + 6NO₂ → 7N₂ + 12H₂O

2NH₃ + NO + NO₂ → 2N₂ + 3H₂O

이와 같이 암모니아를 이용하여 질소산화물을 제거하는 기술은 약 20년 전에 개발되어 상용화 되어 있는바, 암모니아와 질소산화물 간의 반응에 대한 상세한 설명은 생략한다.

이때 요소가 분사되지 아니하면 질소산화물 정화율이 0%가 되는 UREA-SCR시스템의 특성을 고려하여, 저장탱크 내의 레벨이 일정 수준 이하(약 2리터)로 떨어지는 시점부터 운전자가 요소를 주입하지 않고서는 차량 주행을 계속하지 못하도록 하기 위한 강제적 유도방안인 '운전자 유도방안(driver inducement)'이 미국 환경보호국의 법규 항목으로 명시되어 있다.

미국 환경보호국의 권장안으로는, 재시동 회수 카운트 후 일정 회수 초과 시 시동불가, 연료 재주입 후 시동 불가, 연료 재주입 불가, 출력 제한 등이 있으나, 상기 연료 재주입 후 시동불가 및 연료 재주입 불가를 구현을 위해서는 연료주입구에 별도의 하드웨어를 설치해야 한다는 단점이 있다. 따라서 재시동 회수 카운트 후 일정 회수 초과 시 시동불가 및 출력 제한 방안을 이용하는 방법이 유력하게 제안되고 있는데, 시동 회수 카운트 후 일정 회수 초과 시 재시동 불가 및 출력 제한 방안을 단편적으로 적용할 경우에는 다음과 같은 문제점이 있다.

1) 시동 회수 카운트 후 일정 회수 초과 시 재시동 불가 : 시동 회수를 5회 정도로 낮게 설정한 경우, 단거리 주행만 반복한 경우에 요소 잔량으로 주행할 수 있는 거리가 수백 km남은 상태에서도 시동이 불가한 경우가 발생된다는 문제점이 있다. 또한, 시동 회수를 30회 정도로 높게 설정한 경우, 장거리 주행 수 회 반복 하였을 때 요소가 고갈된 상태로 차량 주행이 가능해지므로, 질소산화물이 배출된다는 문제점이 있다. 이외에도, 교차로나 건널목 등에서 차량의 시동이 갑자기 꺼진 상황에서 상기 유도방안으로 인해 시동이 불가하여 심각한 사고 발생의 위험이 있다는 문제점이 있다.

2) 출력 제한 : 레벨 2리터 수준에서 출력제한 로직을 작동하는 경우에는, 2천 km 잔류 주행거리가 남았음에도 불구하고 출력제한이 시작되는 것으로 인해 고객 불만의 문제가 발생할 수 있다.

따라서 UREA-SCR 시스템을 이용하기 위해서는, 여러 가지 조건을 고려하여 요소 소진 시 요소 주입을 적절하게 권장할 수 있도록 차량의 엔진을 제어하는 방법이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 시동 회수 카운트와 동시에 주행마일리지와 요소 사용량을 지속적으로 모니터링하여 실 주행거리 및 실 요소 사용량을 반영함으로써 누적된 실 주행거리 및 요소 사용량이 일정 수준 초과 이후부터 엔진의 출력을 제한하여 요소 주입을 강제로 유도하고, 냉각수온의 변화량을 모니터링하여 대기중 차량 방치(soaking)시간이 짧은 경우에는 운전자 유도방안과 무관하게 재시동이 가능토록 하여 위급 상황에서의 시동불가 현상을 방지할 수 있도록 구성되는 엔진 제어방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 요소를 이용한 선택적 촉매 환원 차량의 엔진 제어방법은,

요소를 이용한 선택적 촉매 환원을 통해 배기가스 내의 질소산화물을 저감시키도록 구성되는 차량의 사용자에게 요소 주입을 유도하기 위하여, 차량의 엔진을 제어하는 방법으로서,

엔진 시동이 판정되면, 엔진이 시동된 횟수를 1회씩 누적시켜 저장하고 주행 마일리지 및 요소 소비량을 누적하는 단계;

엔진이 시동된 횟수가 설정횟수 이상인지를 판단하는 단계;

엔진이 시동된 횟수가 설정횟수 이상이면 엔진의 출력을 제한하는 출력제한 로직을 작동시키는 단계;

엔진이 시동된 횟수가 설정값 미만이면, 주행 누적 마일리지가 설정거리 이상인지, 요소 누적 소비량이 설정량 이상인지를 판단하는 단계;

주행 누적 마일리지가 설정거리 이상이거나 또는 요소 누적 소비량이 설정량 이상이면 시동이 다시 걸리지 아니하도록 하는 재시동 불가로직을 작동시키는 단계;

를 포함하여 구성된다.

주행 누적 마일리지가 설정거리 이상인지와 요소 누적 소비량이 설정량 이상인지를 판단하는 단계에서, 주행 누적 마일리지가 설정거리 미만이고 요소 누적 소비량이 설정량 미만이면, 요소 경고등을 점등하는 단계를 더 포함한다.

상기 재시동 불가로직이 작동되면 시동 오프 시 냉각수온을 저장하고,

상기 재시동 불가로직이 작동된 상태에서 엔진 재시동 신호가 입력되면, 저장된 냉각수온과 재시동 시의 냉각수온 차이가 10도 미만일 때에만 재시동이 가능해지도록 구성된다.

요소가 주입되었을 때 상기 설정횟수와 설정거리와 설정량은 각각 0으로 초기화된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 엔진 제어방법의 실시예를 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 의한 엔진 제어방법의 순서도이다.

본 발명에 의한 엔진 제어방법은, 요소를 이용한 선택적 촉매 환원을 통해 배기가스 내의 질소산화물을 저감시키도록 구성되는 차량이 장시간 운전되어 요소가 거의 소진되었을 때, 엔진의 시동이 불가하도록 하거나 엔진의 출력을 제한하도록 함으로써 사용자에게 요소 주입을 유도한다는 점에 가장 큰 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 의한 엔진 제어방법은 다음과 같은 단계를 거침으로써 사용자에게 요소 주입을 유도하도록 구성된다.

먼저, 엔진 시동이 판정되면(S11), 엔진이 시동된 횟수를 1회씩 누적시켜 저장하고 주행 마일리지 및 요소 소비량 역시 각각 누적한다(s12). 상기 주행 마일리지는 차속센서 신호를 이용하여 누적될 수 있고, 상기 요소 소비량은 요소 분사신호를 이용하여 누적될 수 있다. 이때, 요소 분사압력은 통상적으로 일정한 압력(약 5bar)로 고정되므로, 요소가 분사된 회수와 시간을 누적하여 카운트하면 요소가 분사된 량을 거의 정확하게 계산할 수 있게 된다.

또한 현재까지는 엔진의 시동 횟수가 카운팅되도록 구성된 차량이 제안된 바 없으므로, 엔진이 시동된 횟수를 누적하기 위해서는 별도의 카운터가 구비됨이 바람직하다.

이와 같이 엔진 시동 횟수가 1회 누적되고 주행 마일리지와 요소 소비량의 누적이 시작되면, 엔진의 사용 빈도를 측정하기 위해 엔진 시동 횟수가 사전에 설정된 설정횟수 이상인지를 판단하는 단계(S13)로 넘어간다.

상기 엔진 시동 횟수가 사전에 설정된 설정횟수 이상이면 질소산화물 저감을 위한 요소(UREA)가 모두 사용된 것으로 판단하여 엔진의 출력을 제한하도록 출력제한 로직이 작동되는 단계(S14)로 넘어간다. 예를 들어, 상기 설정횟수가 30회로 설정되면, 엔진의 시동 횟수 누적이 30회가 되었을 때 출력제한 로직이 작동되는 단계(S14)로 넘어간다. 상기 설정횟수는 본 실시예에서 언급한 30회에 한정되지 아니하고, 상기 요소가 저장될 수 있는 양과 질소산화물 저감을 위해 요소가 소모되는 양 등에 따라 적절하게 설정될 수 있다.

이때 차량을 타고 먼 거리를 자주 이동하는 경우에는, 엔진의 시동 횟수가 적더라도 실질적으로 요소가 소요되는 시간은 상대적으로 많으므로 요소가 거의 소진되었음에도 불구하고 엔진의 출력이 제한되지 아니하게 된다. 이와 같이 요소가 거의 소진되었음에도 불구하고 엔진의 출력이 제한되지 아니하면, 사용자는 요소 주입시기가 되었는지를 인지하지 못하게 되고, 이에 따라 질소산화물이 그대로 배출된다는 문제점이 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에 의한 엔진 제어방법은, 상기 엔진 시동 횟수가 사전에 설정된 설정횟수 미만인 경우 엔진 시동 횟수 이외의 또 다른 요인(Factor)을 이용하여 질소산화물 저감을 위한 요소의 잔존 여부를 판단하는 단계를 더 포함한다. 즉, 상기 설정횟수가 30회로 설정되고 엔진의 시동 횟수 누적이 30회 미만일 때 엔진 시동 횟수 외에 또 다른 요인으로 요소 잔존 여부를 판단하는 단계(S15)로 넘어간다.

이때 요소 잔존 여부를 판단하기 위한 엔진 시동 횟수 이외의 또 다른 요인으로는 주행 누적 마일리지와 요소 누적 소비량이 활용되며, 상기 주행 누적 마일리지가 설정거리 이상이거나 또는 요소 누적 소비량이 설정량 이상이면 저장되어 있던 요소가 거의 소진된 것으로 즉, 요소 잔존량이 거의 없는 것으로 판단하여 시동이 다시 걸리지 아니하도록 재시동 불가로직을 작동시키는 단계(S16)로 넘어간다. 반대로 주행 누적 마일리지가 설성거리 미만이고 주행 요소 누적 소비량이 설정량 미만인 경우에는 출력 제한 로직이 작동되는 단계(S14)나 재시동 불가 로직이 작동되는 단계(S15)로 넘어가지 아니하고 정상적인 주행이 가능한 상태를 그대로 유지하게 된다.

이때 본 실시예에서는 상기 설정거리가 1000마일로 설정되고 상기 설정량이 2리터로 설정되어, 주행 누적 마일리지가 1000마일 이상이거나 요소 누적 소비량이 2리터 이상인 경우 재시동 불가 로직이 작동하도록 구성되어 있으나, 상기 설정거리 및 설정량은 여러 가지 조건에 따라 다양하게 변경될 수 있다.

또한, 주행 누적 마일리지가 설정거리 미만이고 주행 요소 누적 소비량이 설정량 미만인 경우, 요소의 잔류량 및 요소 주입 점검을 위해 요소 경고등이 점등되는 단계를 추가로 포함할 수도 있다.

이와 같이 본 발명에 의한 엔진 제어방법을 이용하면, 엔진 시동횟수, 주행 마일리지, 요소 소비량 등을 모두 고려하여 요소의 잔존량을 계산한 후 사용자에게 요소 주입을 유도하므로, 요소 소진으로 인해 질소산화물이 배출되는 현상을 보다 효과적으로 방지할 수 있다는 장점이 있다.

또한, 요소가 새롭게 주입되었을 때에는 요소의 잔존량을 처음부터 다시 체크할 수 있도록, 상기 설정횟수와 설정거리와 설정량은 각각 0으로 초기화된다.

도 2는 재시동 불가로직이 작동된 상태에서의 엔진 재시동 가부 판정 순서도이다.

상기 도 1에 도시된 '재시동 불가 로직 작동 단계(S16)'를 거쳐 엔진의 재시동이 불가한 상태가 되었을 때, 교차로나 건널목과 같은 위험 구역에서 차량의 시동이 갑자기 꺼져 버리는 경우 시동이 다시 걸리지 아니함으로써 큰 사고가 발생될 수 있다는 문제점이 있다.

따라서 본 발명에 의한 엔진 제어방법은, 상기 재시동 불가로직이 작동되면 시동 오프 시 냉각수온을 저장하고, 상기 재시동 불가로직이 작동된 상태에서 엔진 재시동 신호가 입력되면, 저장된 냉각수온과 재시동 시의 냉각수온 차이가 10도 미만일 때에만 재시동이 가능해지도록 구성된다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 엔진 시동 신호가 입력되면(S21), 현 상태가 재시동 불가 로직이 작동 중인지를 판단하여(S22), 재시동 불가 로직이 작동 중이 아니면 엔진의 재시동이 가능하게 되고(S23), 재시동 불가 로직이 작동 중인 경우에는 저장된 냉각수온과 재시동 시의 냉각수온 차이를 판단하는 단계(S24)로 넘어간다. 이때, 저장된 냉각수온과 재시동 시의 냉각수온 차이가 10도 이상이면 대기 중 차량 방치(soaking)시간이 긴 경우 즉, 차량을 장시간 사용하지 아니하였다가 사용하는 경우이므로 위급한 상황이 아니라고 판단하여 엔진 시동이 불가하도록 하 고(S25), 저장된 냉각수온과 재시동 시의 냉각수온 차이가 10도 미만이면 대기 중 차량 방치시간이 짧은 경우 즉, 시동이 꺼진 지 얼마 지나지 아니하여 다시 시동을 켜는 경우이므로 위급한 상항이라고 판단하여 엔진 시동이 가능하도록 한다(S23). 본 실시예에서는 엔진 시동 불가 및 엔진 시동 가능을 구분하기 위해 저장된 냉각수온과 재시동 시의 냉각수온 차이 즉, 기준 온도차를 10도로 설정하고 있으나, 상기 기준 온도차는 여러 가지 조건에 따라 변경될 수 있다.

또한, 저장된 냉각수온과 재시동 시의 냉각수온 차이는 시동을 꺼 놓은 시간이 동일하더라도 외기온도에 따라 크게 차이날 수 있으므로, 상기 기준 온도차는 외기 온도에 따른 함수로 설정될 수도 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

본 발명에 의한 엔진 제어방법을 이용하면, 엔진 시동 횟수뿐만 아니라 주행 마일리지 및 요소 사용량을 지속적으로 모니터링하여 요소의 잔존량을 보다 정확하게 판단할 수 있으므로 보다 정확한 시점에 요소 주입을 유도하여 절소산화물 배출 을 방지할 수 있고, 냉각수온의 변화량을 모니터링하여 시동 가능 여부를 판단하므로 위급 상황에서의 시동불가로 인해 발생될 수 있는 사고를 미연에 방지할 수 있다는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 요소를 이용한 선택적 촉매 환원을 통해 배기가스 내의 질소산화물을 저감시키도록 구성되는 차량의 사용자에게 요소 주입을 유도하기 위하여, 차량의 엔진을 제어하는 방법으로서,

   엔진 시동이 판정되면, 엔진이 시동된 횟수를 1회씩 누적시켜 저장하고 주행 마일리지 및 요소 소비량을 누적하는 단계;

   엔진이 시동된 횟수가 설정횟수 이상인지를 판단하는 단계;

   엔진이 시동된 횟수가 설정횟수 이상이면 엔진의 출력을 제한하는 출력제한로직을 작동시키는 단계;

   엔진이 시동된 횟수가 설정값 미만이면, 주행 누적 마일리지가 설정거리 이상인지, 요소 누적 소비량이 설정량 이상인지를 판단하는 단계; 및

   주행 누적 마일리지가 설정거리 이상이거나 또는 요소 누적 소비량이 설정량 이상이면 시동이 다시 걸리지 아니하도록 하는 재시동 불가로직을 작동시키는 단계;

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어방법.
2. 제1항에 있어서,

   주행 누적 마일리지가 설정거리 이상인지와 요소 누적 소비량이 설정량 이상 인지를 판단하는 단계에서, 주행 누적 마일리지가 설정거리 미만이고 요소 누적 소비량이 설정량 미만이면, 요소 경고등을 점등하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 엔진 제어방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 재시동 불가로직이 작동되면 시동 오프 시 냉각수온을 저장하고,

   상기 재시동 불가로직이 작동된 상태에서 엔진 재시동 신호가 입력되면, 저장된 냉각수온과 재시동 시의 냉각수온 차이가 10도 미만일 때에만 재시동이 가능해지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 엔진 제어방법.
4. 제1항에 있어서,

   요소가 주입되었을 때 상기 설정횟수와 설정거리와 설정량은 각각 0으로 초기화되는 것을 특징으로 하는 엔진 제어방법.

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