KR100901937B1 - 에스시알 시스템에서의 비메탄 탄화수소 저감 기능 진단방법 - Google Patents

에스시알 시스템에서의 비메탄 탄화수소 저감 기능 진단방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본 발명은 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 기능 진단 방법에 관한 것으로서, SCR 전단의 온도가 소정 온도 이상이면, cDPF 전단 람다센서 및 cDPF 후단 람다센서로부터 수신된 신호로부터 cDPF 전단 및 cDPF 후단의 산소농도를 연산하는 단계와, 상기 산소농도를 이용하여 cDPF 전단 및 cDPF 후단의 비메탄 탄화수소(NMHC, Non-Methane HydroCarbons) 값을 연산하는 단계와, cDPF 전단의 비메탄 탄화수소값과 cDPF 후단의 비메탄 탄화수소값의 차이를 cDPF 전단의 비메탄 탄화수소 값으로 나눈 값이 소정 기준치 이하이면 경고신호를 출력하는 단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 새로운 구조의 SCR 시스템에서 NMHC 저감 기능을 용이하게 진단할 수 있는 효과가 있다.
SCR, 메탄, 디젤, 산화수소, 진단, diagnosis, cDPF, 람다센서, NOx.

Description

에스시알 시스템에서의 비메탄 탄화수소 저감 기능 진단 방법 {Method for diagnosing function of reduction Non-Methanic HydroCarbon in Selective Catalytic Reduction system}
본 발명은 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 기능 진단 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 cDPF, 유리아 도징부, SCR로 구성된 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 기능을 진단하는 방법에 관한 것이다.
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 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과 입자상물질(PM)에 의해 발생한다. 이러한 질소산화물과 입자상물질 등의 배출을 저감하기 위한 여러가지 방안이 개발되고 있다.
이러한 방안으로서, cDPF(Catalyzed Diesel Particulate matter Filter, 디젤 입자상 물질 필터)와, LNT(Lean NOx Trap, NOx 흡장 촉매)를 동시에 사용하여 PM/NOx를 동시에 저감하는 시스템(NPRS, NOX PM Reduction system)이 이용되고 있다.
cDPF는 디젤엔진의 배기가스 중 입자상 물질을 트랩을 이용하여 물리적으로 포집하여 일정 주기마다 입자상의 물질을 발화온도(약 650도) 이상으로 승온시켜 입자상 물질을 제거하는 방식이며, cDPF에 의한 PM 포집 효율은 약 70% 이상으로 알려지고 있다.
또한 디젤 차량의 배기가스를 처리하는 기술로는 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.
최근 디젤엔진에 관한 배기 규제 중에서 북미 배기규제(tier2 bin5) 및 유럽 배기규제(EU6)가 질소산화물(NOx)의 규제를 강화하고 있다. 이러한 북미(tier2 bin5) 및 유럽(EU6)의 디젤 배기 규제 수준으로 질소산화물(NOx) 배출량을 낮추기 위하여 북미 및 유럽에 수출되는 차량에는 LNT, SCR 등의 시스템이 장착되고 있다.
도 1은 종래 SCR 시스템의 구조를 보여주는 도면이다.
도 1에서 보는 바와 같이 종래 SCR 시스템은 DOC(Diesel Oxidation Catalyst)(10), cDPF(20), 유리아 도징부(UREA dosing)(30), SCR(40)로 구성되어 있다.
이러한 구조의 종래 SCR 시스템에서는 DOC(10)에서 NMHC(Non-Methane HydroCarbons, 비메탄 탄화수소) 변환기능을 주로 수행하고, cDPF(20)에서 NMHC 변환기능을 보조적으로 수행한다.
이러한 경우, DOC(10) 촉매에 대한 진단은 EOBD(Europe On Board Diagnosis) 또는 북미의 OBD2(On Board Diagnosis2) 규제를 만족한다. 이에 대해 상세히 설명하면, 도 1에서 NMHC 성분이 DOC(10)를 거치면서 DOC(10) 내부의 금속성분에 의해 산화되고, NMHC 성분이 산화되면서 발열반응이 일어난다. 이때, NMHC 산화에 의한 반응열은 DOC(10) 촉매가 노화(aging)되는 양에 비례하여 감소하므로, 이러한 원리를 이용하여 DOC(10) 촉매의 기능 이상 여부를 진단할 수 있다. 즉, DOC(10) 전단과 후단에 위치한 온도센서를 통하여 반응열을 계산하고, 반응열의 적산값이 기준치보다 작은 경우에 DOC(10) 촉매가 제 기능을 수행하지 못하는 것으로 판정하고, 엔진 경고등을 점등하게 된다.
그러나, 종래 SCR 시스템과 같은 구성이 아닌, 새로운 레이아웃으로 구성된 SCR 시스템에서는 종래와 같은 방법으로 NMHC 저감 기능의 진단이 불가능한 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, cDPF. 유리아 도징부, SCR로 구성된 SCR 시스템에서 EOBD나 OBD 규제를 만족할 수 있는 NMHC 저감 기능 진단 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 SCR 전단의 온도가 소정 온도 이상이면, cDPF 전단 람다센서 및 cDPF 후단 람다센서로부터 수신된 신호로부터 cDPF 전단 및 cDPF 후단의 산소농도를 연산하는 제1단계와, 상기 산소농도를 이용하여 cDPF 전단 및 cDPF 후단의 비메탄 탄화수소(NMHC, Non-Methane HydroCarbons) 값을 연산하는 제2단계와, cDPF 전단의 비메탄 탄화수소값과 cDPF 후단의 비메탄 탄화수소값의 차이를 cDPF 전단의 비메탄 탄화수소 값으로 나눈 값이 소정 기준치 이하이면 경고신호를 출력하는 제3단계를 포함한다.
본 발명에 의하면 새로운 구조의 SCR 시스템에서 NMHC 저감 기능을 용이하게 진단할 수 있는 효과가 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 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 구조를 보여주는 도면이다. 도 2에서 SCR 시스템은 cDPF(100), 유리아 도징부(UREA dosing)(200), SCR(300)을 포함하여 이루어진다.
cDPF(Catalyzed Diesel Particulate matter Filter)(100)는 배기가스 중에 포함된 입자상 물질(PM)을 필터로 포집하고, 일정한 조건에서 필터에 포집된 입자상 물질(PM)을 태워 재생하는 역할을 한다.
본 발명에서 cDPF(100)에는 금속 코팅 영역(110)이 있다. 이 금속 코팅 영역(110)에서는 NMHC 변환이 수행된다. 본 발명에서는 금속 코팅 영역(110)의 열화에 의한 NMHC 변환치가 EOBD나 OBD2 규제치를 만족하는지 여부를 진단하는 방법을 제공한다. 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.
유리아 도징부(200)는 요소를 SCR(300)에 분출하는 역할을 한다.
SCR(300)은 질소산화물(NOx)를 저감시키는 역할을 한다. 본 발명에서는 SCR(300)에 질소산화물 센서(310)가 구비되어서 질소산화물(NOx)의 양을 측정할 수 있다.
람다센서(400a, 400b)는 cDPF(100)의 전단(400a)과 후단(400b)에 각각 위치하여 배기가스에 포함되어 있는 산소의 농도를 측정하는 역할을 한다. 본 발명에서는 람다센서(400a, 400b)에서 측정된 산소 농도를 이용하여 비메탄 탄화수소(NMHC) 성분을 연산한다.
SCR(300) 전단부의 온도가 일정온도에 도달하기 전에는 질소산화물(NOx) 정화율이 거의 없기 때문에, 본 발명에서는 SCR(300) 전단부의 온도를 빠른 시간내에 일정온도 이상 끌어올리기 위하여 래피드 히트 업(Rapid heat up) 기능을 사용한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 래피드 히트 업 기능 적용시의 배기가스 온도 그래프이다. 도 4는 시간에 따른 배기가스의 온도변화를 도시한 그래프이다. 도 4에서 가로축은 시간, 세로축은 온도를 나타낸다.
도 4에서 SCR(300) 전단부의 온도가 섭씨 200도에 도달하는데 걸리는 시간이 약 213초임을 확인할 수 있다. 종래에는 섭씨 200도에 도달하는데 450~500초가 소요된 것에 비하여, 래피드 히트 업 기능을 이용하게 되면 종래에 비해 약 2배 빠른 시간내에 섭씨 200도에 도달할 수 있게 된다.
이러한 래피드 히트 업 구간에서는 cDPF(100) 촉매가 활성화되기 이전이기 때문에 cDPF(100)의 영향을 배제한 상태에서 NMHC 저감 기능 진단이 가능하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 진단 방법 을 보여주는 흐름도이다. 도 3에서 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 진단 방법을 설명하면 다음과 같다.
배기가스 온도를 높이는 기능인 래피드 히트 업(Rapid heat up) 기능이 구현된 구간인지 확인한다(S301).
래피드 히트 업 구간이면, SCR(300) 전단의 온도가 소정 온도 이상인지 확인한다(S303). 본 발명의 일 실시예에서 소정 온도는 섭씨 180도 내지 200도 사이의 임의의 값일 수 있다.
cDPF(100) 전단의 온도가 소정 온도 이상이면, cDPF 전단 람다센서(400a) 및 cDPF 후단 람다센서(400b)로부터 신호를 수신한다(S305). 그리고, 수신된 신호로부터 cDPF(100) 전단 및 cDPF(100) 후단의 산소농도를 각각 연산한다(S307).
연산된 산소농도를 이용하여 cDPF(100) 전단 및 cDPF(100) 후단의 비메탄 탄화수소(NMHC) 값을 연산한다(S309).
cDPF(100) 전단의 비메탄 탄화수소(NMHC)값과 cDPF(100) 후단의 비메탄 탄화수소(NMHC)값의 차이를 cDPF 전단의 비메탄 탄화수소(NMHC) 값으로 나눈 값이 소정 기준치 이하이면(S311), 경고신호를 출력한다(S313). 본 발명의 일 실시예에서 소정 기준치는 5%일 수 있다.
본 발명에서 cDPF(100)가 열화되지 않은 상태에서는 금속 코팅 영역(110)에 의해 대부분의 NMHC가 산화되므로 cDPF(100) 후단부의 람다센서(400b)는 cDPF(100) 전단부의 람다센서(400a)에 비해 작은 신호가 감지된다. 그러나, cDPF(100)가 열화되면 cDPF(100)의 열화되는 양에 비례하여 cDPF(100)에서 산화되는 NMHC의 양이 감 소할 것이므로, cDPF(100) 후단부의 람다센서(400b)와 cDPF(100) 전단부의 람다센서(400a)에서 출력되는 신호의 차이가 감소하게 될 것이다. 본 발명에서는 cDPF(100) 후단부의 람다센서(400b)와 cDPF(100) 전단부의 람다센서(400a)에서 출력되는 신호의 차이가 감소되는 양이 소정 기준치 이하가 되면 NMHC 저감 기능에 이상이 있다고 진단하여 경고신호를 출력한다. 경고신호를 출력하는 방식은 경고음을 출력하거나 경고메시지를 디스플레이하는 방식 등이 될 수 있다.
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 1은 종래 SCR 시스템의 구조를 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 구조를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 진단 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 래피드 히트 업 기능 적용시의 배기가스 온도 그래프이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
100 cDPF 200 유리아 도징부
300 SCR 400a, 400b 람다 센서
110 금속 코팅영역 310 NOx 센서

Claims (4)

  1. 비메탄 탄화수소(NMHC, Non-Methane HydroCarbons) 변환을 수행하기 위한 금속 코팅 영역을 구비한 cDPF(Catalyzed Diesel Particulate matter Filter), 상기 cDPF와 연결되어 요소를 분출하는 유리아 도징부, 상기 유리아 도징부와 연결되어 질소산화물을 저감시키는 SCR(Selective Catalytic Reduction), 상기 cDPF의 전단에 위치하여 배기가스 중의 산소농도를 측정하기 위한 cDPF 전단 람다센서, 상기 cDPF의 후단에 위치하여 배기가스 중의 산소농도를 측정하기 위한 cDPF 후단 람다센서를 포함하여 이루어지는 SCR 시스템에서,
    SCR 전단의 온도가 소정 온도 이상이면, cDPF 전단 람다센서 및 cDPF 후단 람다센서로부터 수신된 신호로부터 cDPF 전단 및 cDPF 후단의 산소농도를 연산하는 제1단계와,
    상기 산소농도를 이용하여 cDPF 전단 및 cDPF 후단의 비메탄 탄화수소 값을 연산하는 제2단계와,
    cDPF 전단의 비메탄 탄화수소값과 cDPF 후단의 비메탄 탄화수소값의 차이를 cDPF 전단의 비메탄 탄화수소 값으로 나눈 값이 소정 기준치 이하이면 경고신호를 출력하는 제3단계
    를 포함하는 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 기능 진단 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1단계 전에 배기가스 온도를 높이는 기능인 래피드 히트 업(Rapid heat up) 기능이 구현된 구간인지 확인하고, 래피드 히트 업 구간인 경우에만 제1단계로 진입하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 기능 진단 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 소정 온도는 섭씨 180도 내지 200도 사이의 임의의 값임을 특징으로 하는 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 기능 진단 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 소정 기준치는 5%인 것임을 특징으로 하는 SCR 시스템에서의 NMHC 저감 기능 진단 방법.
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