KR100882653B1

KR100882653B1 - 에스시알 시스템에서의 요소 분출 방법

Info

Publication number: KR100882653B1
Application number: KR1020070112481A
Authority: KR
Inventors: 이강원
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2007-11-06
Filing date: 2007-11-06
Publication date: 2009-02-06

Abstract

본 발명은 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법에 관한 것으로서, 배기 가스 중에서 질소산화물(NOx)의 양을 측정하는 단계, 측정된 질소산화물의 양을 제거하기 위해 필요한 암모니아(NH₃)의 양을 계산하는 단계, 요소를 저장하고 있는 요소(urea) 탱크 내의 온도와 시간에 따른 자연분해 특성을 고려하여 변환상수를 산출하는 단계, 암모니아의 양에 상기 변환상수를 곱하여 요소 분출량을 결정하는 단계, 결정된 요소 분출량에 따라 요소 탱크에서 요소를 분출하는 단계를 구비한다. 본 발명에 의하면 SCR 시스템에서 온도와 시간에 따라 자연분해되는 요소의 양을 감안하여 변환상수를 결정함으로써 적절한 요소의 양을 분출할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 보다 효율적으로 요소를 분출할 수 있게 된다.

SCR, 요소, 암모니아, 질소산화물, 배기가스, 차량, 온도, 농도, 유리아.

Description

에스시알 시스템에서의 요소 분출 방법 {Method for dosing urea in SCR system}

본 발명은 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 SCR 시스템에서 온도와 시간에 따른 요소의 자연분해 특성을 고려하여 변환상수를 계산하고, 이 변환상수를 이용하여 요소의 분출량을 결정하는 방법에 관한 것이다.

일반적으로 자동차는 형태에 따라 승용차나, 버스, 트럭 등으로 분류되나 같은 차종이라 할지라도 사용되는 연료의 종류에 따라 가솔린차량, 디젤 차량, LPG차량으로 구분될 수 있다.

이 중 디젤 차량은 고연비를 가지고 고출력 및 고부하 운전이 가능함은 물론 그 유류비가 저렴하여 수요가 계속 증가하고 있는 실정이다. 이 디젤 차량은 배기가스가 그대로 배출될 경우 그 오염도가 매우 높으므로 이에 대응하기 위하여 디젤 엔진의 배기가스 규제가 강화되고 있는 추세이다. 그리고 이 디젤차량의 대기오염 은 주로 질소산화물(NOx)과 입자상물질에 의해 발생한다. 따라서 디젤 차량의 배기 규제의 주요한 대상물질은 질소산화물과 입자상물질이며 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation)에 의한 질소산화물 농도 저감과, 입자상물질을 저감하기 위한 엔진의 성능 개선 및 개량을 하고 있다.

이러한 디젤 차량의 배기가스를 처리하는 기술로는 통상 입자상의 물질을 걸러주는 입자상물질 제거용 필터 시스템 또는 배기가스 라인에 촉매수용액을 분사하는 촉매분사시스템이 있다.

촉매분사시스템은 근래에 촉매수용액으로 질소산화물 제거율이 우수한 유리아 첨가제(Urea Agent)를 이용하는 유리아-SCR(Selective Catalytic Reduction) 시스템이 주로 사용되고 있는 추세이다.

이러한 유리아-SCR은 디젤엔진의 배기가스(HC, CO, PM, NOx)중에서 질소산화물(NOx)을 저감하는 기술로서 배기가스중 질소산화물(NOx)과 암모니아(NH₃)를 반응시켜 질소(N₂)와 수증기(H₂O)로 환원시키는 기술이며, 배기관을 통해서 나오는 배기가스 중 질소산화물(NOx)의 양을 센서를 통해서 확인하고 ECU에서 요소(Urea) 분사량을 결정하여 촉매 전단 배기관에 요소를 분출하며, 이때 요소가 암모니아(NH₃)로 분리되어 촉매로 공급되는 것으로서 촉매안에서 암모니아(NH₃)와 질소산화물(NOx)이 반응하여 질소산화물(NOx)를 제거하게 되는 방법이다.

이와 같은 SCR 시스템에서 최종 요소 분출량을 결정하기 위한 제어로직에서 는 필요한 암모니아(NH₃)의 양에 적절한 변환상수값을 곱하여 최종 요소 분출량을 결정하게된다. 보통 변환상수는 1몰의 요소가 열분해 및 가수분해되어 2몰의 암모니아(NH₃)를 생성할 때, 요소 수용액의 요소 농도를 곱하여 얻어지는 값이다. 참고로 요소의 가수분해에 대한 화학식은 다음과 같다.

(NH₂)₂CO + H₂O -> 2NH₃ + CO₂

이때, 암모니아(NH₃)의 분자량은 17이고, 요소((NH₂)₂CO)의 분자량은 60이다. 여기서, 일반적으로 요소 수용액의 요소 농도를 32.5%로 가정하고, 이를 공칭값으로 사용한다. 이러한 공칭값을 갖는 요소 수용액의 변환상수는 5.42이다. 따라서, 종래 SCR 시스템에서는 변환상수를 5.42로 하여 요소 분출량을 결정하였다.

그러나, 요소는 온도와 시간에 따라 자연분해되는데 종래 SCR 시스템에서의 제어 로직에서는 이러한 점이 반영되지 않기 때문에 적절한 양의 요소가 분출되지 못한다는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 온도와 시간에 따라 자연분해되는 요소의 양을 감안하여 변환상수를 결정함으로써 적절한 요소의 양을 분출할 수 있는 SCR 시스템에서의 요소량 분출 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 배기 가스 중에서 질소산화물(NOx)의 양을 측정하는 제1단계, 측정된 질소산화물의 양을 제거하기 위해 필요한 암모니아(NH₃)의 양을 계산하는 제2단계, 요소를 저장하고 있는 요소(urea) 탱크 내의 온도와 시간에 따른 자연분해 특성을 고려하여 변환상수를 산출하는 제3단계, 암모니아의 양에 상기 변환상수를 곱하여 요소 분출량을 결정하는 제4단계, 결정된 요소 분출량에 따라 요소 탱크에서 요소를 분출하는 제5단계를 구비한다.

상기 제3단계에서 변환상수를 K, 변환상수의 초기값을 K₀, 시간의 변화량을 Δt, 변환상수의 변화율을

라 할 때, K=K₀ + Δt *

의 수식을 만족할 수 있다.

본 발명에 의하면 SCR 시스템에서 온도와 시간에 따라 자연분해되는 요소의 양을 감안하여 변환상수를 결정함으로써 적절한 요소의 양을 분출할 수 있는 효과가 있다. 따라서, 보다 효율적으로 요소를 분출할 수 있게 된다.

또한, 별도의 추가 장비 없이 제어로직으로 간단하게 구현할 수 있으므로 추가비용이 소요되지 않는다는 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법을 보여주는 흐름도이다.

배기 가스 중에서 질소산화물(NOx)의 양을 측정한다(S101).

측정된 질소산화물의 양을 제거하기 위해 필요한 암모니아(NH₃)의 양을 계산한다(S103).

요소를 저장하고 있는 요소(urea) 탱크 내의 온도와 시간에 따른 자연분해 특성을 고려하여 변환상수를 산출한다(S105).

암모니아의 양에 변환상수를 곱하여 요소 분출량을 결정한다(S107).

결정된 요소 분출량에 따라 요소 탱크에서 요소를 분출한다(S109).

S105 단계에서 변환상수를 산출하는 방법을 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 변환상수를 K, 변환상수의 초기값을 K₀, 시간의 변화량을 Δt, 변환상수의 변화율을

라 할 때, 변환상수 K는 다음 수식 (1)을 만족한다.

K=K₀ + Δt *

(1)

식 (1)에서 요소 질량 분류율을

, 요소의 분자량을 M_urea, 암모니아의 분자량을 M_NH3라고 할 때, 변환상수 변화율

는 다음과 같다.

=M_urea/(2*M_NH3*

) (2)

요소의 분자량 M_urea=60이고, 암모니아의 분자량 M_NH3=17이므로, 이 값을 식 (2)에 대입하면 변환상수 변화율

는 다음과 같다.

=1.765/

(3)

식 (3)에서 요소 농도를 C_urea, 온도에 따른 요소 밀도를 ρ(t), 요소의 분자 량을 M_urea라고 할 때, 요소 질량 분류율

는 다음 수식 (4)를 만족한다.

=C_urea / ρ(t) * M_urea (4)

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 온도에 따른 요소의 밀도를 도시한 그래프이다. 본 발명에서는 도 4와 같은 그래프를 이용하여 요소 밀도인 ρ(t)를 구할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서 요소 밀도 ρ(t)는 다음의 수식으로 나타낼 수 있다.

ρ(t)= A+ B*T +C*T² (5)

식 (5)에서 T는 온도, A=1.10001, B=0.000428345C, C=-1.62819e-06 이다.

식 (4)에서 요소 농도의 초기값을 C_urea _,0, 온도에 따른 요소의 농도 변화율을

라고 할 때, 요소 농도 C_urea 는 다음 수식 (6)를 만족한다.

C_urea =C_urea _,0 + Δt *

(6)

본 발명의 일 실시예에서 식 (6)에서

는 온도에 따른 요소의 농도 변화율 그래프를 이용하여 구할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에서 온도에 따른 요소 농도의 변화율을 도시한 그래프이다. 도 3에서 요소 수용액이 온도와 시간에 따라 암모니아(NH₃)로 자연분해 되고, 이에 따른 요소의 농도 변화율이 도시되어 있다. 실제 차량에 주입된 요소 수용액은 도 3에서와 같은 온도범위에서 자연분해되며, 자연분해로 인한 암모니아(NH₃) 손실량을 제어로직에 반영해주어야 정확한 요소 분출량을 계산할 수 있다.

이처럼 본 발명에서는 도 3에서와 같은 실험 데이터를 도시한 그래프를 이용하여 요소의 농도 변화율인

를 구할 수 있다. 예를 들어, 70 ℃에서 농도 변화율

=-6/(20*24*60*60) [mol/L.s] 이다.

본 발명에서 농도 변화율

을 이용하여 단위 시간 및 단위 부피당 손실되는 암모니아(NH₃)의 양을 계산할 수 있다. 즉, 요소 1몰이 분해되면 암모니아(NH3) 2몰이 생성되므로, 암모니아 농도 변화율

=-2*

이 된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변환상수 변화율(

)을 구하는 과정을 보여주는 도면이다.

전술한 바와 같이, 도 2에서 변환상수 변화율

=1.765/

가 된다. 요소 질량 분류율

는

=C_urea / ρ(t) * M_urea의 수식으로 구해진다. 요소 농도 변화율

와 밀도 ρ(t)는 각각의 실험 데이터 그래프를 통해 구할 수 있다. 한편, 암모니아 농도 변화율

=-2*

이 된다.

이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변환상수의 변화율을 구하는 과정을 보여주는 도면이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에서 온도에 따른 요소 농도의 변화율을 도시한 그래프이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에서 온도에 따른 요소의 밀도를 도시한 그래프이다.

Claims

배기 가스 중에서 질소산화물(NOx)의 양을 측정하는 제1단계;

측정된 질소산화물의 양을 제거하기 위해 필요한 암모니아(NH₃)의 양을 계산하는 제2단계;

요소를 저장하고 있는 요소(urea) 탱크 내의 온도와 시간에 따른 자연분해 특성을 고려하여 변환상수를 산출하는 제3단계;

암모니아의 양에 상기 변환상수를 곱하여 요소 분출량을 결정하는 제4단계;

결정된 요소 분출량에 따라 요소 탱크에서 요소를 분출하는 제5단계

를 구비하는 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법.
제1항에 있어서, 상기 제3단계에서

변환상수를 K, 변환상수의 초기값을 K₀, 시간의 변화량을 Δt, 변환상수의 변화율을
라 할 때,

K=K₀ + Δt *

의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법.
제2항에 있어서,

요소 질량 분류율을
라고 할 때,

=1.765/

의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법.
제3항에 있어서,

요소 농도를 C_urea, 온도에 따른 요소 밀도를 ρ(t), 요소의 분자량을 M_urea라고 할 때,

=C_urea / ρ(t) * M_urea

의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법.
제4항에 있어서,

요소 농도의 초기값을 C_urea _,0, 온도에 따른 요소의 농도 변화율을
라고 할 때,

C_urea =C_urea _,0 + Δt *

의 수식을 만족하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법.
제5항에 있어서,

상기
는 온도에 따른 요소의 농도 변화율 그래프를 이용하여 구하는 것 을 특징으로 하는 SCR 시스템에서의 요소 분출 방법.