KR100986071B1 - 차량의 배기가스 정화장치 및 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량의 배기가스 정화장치로, UCC의 온도에 따른 엔진 제어로 THC의 배출을 최소화하고, 배기가스의 정화 능력을 향상시키는 것이다.

본 발명은 제올라이트 및 삼원촉매가 하나의 담체에 구성되는 UCC와 상기 UCC의 하류측에 설치되는 온도센서를 포함하는 차량의 배기가스 정화장치에 있어서, 상기 온도센서의 정보를 분석하여 제올라이트에서 THC의 탈착이 발생되나 삼원촉매가 활성화 온도에 도달하지 않은 상태이면 배기가스에 충분한 산소량을 확보하기 위해 공연비를 희박하게 제어하고, 삼원촉매가 활성화 온도를 도달되면 이론 공연비로 복귀시키는 제어부를 포함한다.

배기가스, THC, UCC, 온도센서, 공연비 희박

Description

차량의 배기가스 정화장치 및 제어방법{System for purifying exhaust gas of vehicle and control method thereof}

본 발명은 차량의 배기가스 정화장치에 관한 것으로, 상세하게는 UCC(Under floor Catalytic Converter)의 후방 온도에 따른 엔진 제어로 THC(탄화수소)의 배출을 최소화하고, 배기가스의 정화 능력을 향상시키는 차량의 배기가스 정화장치 및 제어방법에 관한 것이다.

현재 세계적으로 배기 환경 문제가 크게 대두되고 있으며, 이에 따라 차량의 배출규제는 점점 강화되고 있다.

미국 캘리포니아의 자동차에 대한 환경규제가 ULEV II에서 SULEV(Super Ultra Law Emission Vehicle)로 규제가 진행되면서 THC, CO, NOx의 배출규제가 더욱 엄격해지고 있으며, THC의 경우 FTP-75 모드 운전시 0.055g/mile 수준에서 0.01g/mile로 규제수준이 강화되었다.

따라서, 차량에는 상기한 배출규제를 만족시키기 위하여 다각적인 연구가 진행되고 있으며, 이를 위한 방법으로 배기 파이프의 소정위치에 배기가스를 정화시키는 촉매장치를 설치하고 있다.

가솔린 엔진 차량에서 상기의 배출규제를 만족시키기 위해서는 대략적으로 두 가지 방법이 있다.

첫째는 엔진에서 배출되는 THC의 량을 줄이는 것이며, 둘째는 촉매의 성능을 강화하여 엔진에서 나오는 유해 가스의 정화능력을 상승시키는 것이다.

그런데, 촉매장치는 일반적으로 350℃ 이후에서 활성화되어 정화기능이 시작되는데 상온 시동의 경우 촉매장치가 활성화 온도(LOT)에 이르기 전에 배출되는 THC는 촉매장치에서 정화되지 못하고 대기로 배출된다.

이것을 해결하기 위해서는 엔진에서 배출되는 에너지량 및 배기계 레이아웃을 최적화하여 활성화 온도에 도달하는 시간을 최소화시켜야 하나, 레이아웃의 문제 및 촉매장치의 원가상승 문제가 수반된다.

따라서, 촉매장치에 THC를 흡착시키는 촉매를 적용하고 있으며, THC를 흡착시키는 촉매 물질로 제올라이트(Zeolite)가 사용된다.

도 1은 차량에 장착되는 촉매장치의 단면 구조 및 THC의 흡착 원리를 도시한 도면이다.

촉매장치는 담체의 표면(1)에 저온에서 THC를 흡착시키고 고온에서 흡착된 THC를 탈착시키는 제올라이트(2)를 적층하고, 제올라이트(2)의 상부에 Pt/Rh, Pd/Rh 혹은 Pt/Pd/Rh가 적층되어 CO, NOx, 탄화수소계 화합물과 산화/환원 반응하는 삼원촉매(3)가 적층된다.

상기한 구조를 갖는 촉매장치는 엔진의 시동 온 이후 삼원촉매가 활성화되기 이전, 즉 삼원촉매가 상온을 유지하는 상태에서 배출되는 THC는 (A)와 같이 제올라이트 층(2)에 흡착되어 대기로 배출되는 양이 최소화되도록 정화한다.

이후, 시간이 경과함에 따라 배기가스의 온도 혹은 별도로 삽입되는 히터에 의해 촉매장치가 가열되어 고온으로 형성되면 (B)와 같이 제올라이트(2)에 흡착된 THC의 탈착이 발생되는데, 삼원촉매(3)가 대략적으로 150℃를 유지하는 정상 활성화 이전의 영역인 경우 제올라이트(2)에서 탈착되는 THC를 정화시키지 못하여 그대로 배출시킨다.

이후, 시간의 경과에 따라 삼원촉매(3)가 활성화 온도, 대략 350℃에 도달하게 되면 (C)와 같이 제올라이트층(2)에서 탈착된 THC는 삼원촉매(3)의 물질과 산화 반응하여 H2O 혹은 CO2로 정화된다.

상기와 같이 촉매장치에 흡착되었던 THC가 탈착되면 도 2에 도시된 바와 같이 공연비는 실제 엔진에서 구성되는 공연비 보다 농후하게 배출이 된다.

그러나, 공연비가 농후하게 배출되면 THC가 산화되어 CO2로 정화되기 위한 산소의 양이 부족하므로 촉매장치가 활성화되는 온도 조건이 되어도 정화 성능이 떨어지는 문제점이 발생한다.

따라서 제올라이트에 흡착된 THC의 탈착 구간에서 엔진의 공연비를 희박 조건으로 운전하여 산소의 량을 확보하는 제어가 필요하다.

제올라이트는 Si와 Al로 이루어진 다공성 물질로, 특성적으로 고온과 물의 조건에서 제올라이트의 Al 성분이 구조적으로 붕괴가 되어 흡착 성능이 크게 저하된다.

제올라이트를 THC 흡착촉매로 적용시하는 경우 통상적으로 내구적인 측면을 고려하여 상대적으로 저온 분위기인 UCC에 적용하고 있다.

현재의 차량에서는 UCC에 적용되는 THC 흡착촉매의 정화효율을 향상시키고자 하는 엔진 제어방법이 제시되어 있지 않다.

따라서, 저온 시동의 초기에는 제올라이트에서 THC를 충분하게 흡착시키나 삼원촉매의 활성화가 이루어지지 않은 비활성화 온도의 조건에서 탈착되는 THC의 정화가 이루어지지 않고 대기로 배출되어 에미션을 악화시키는 문제점이 발생된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 THC의 정화를 위한 촉매로 제올라이트가 적층되는 UCC의 하류측에 온도센서를 장착하여 UCC의 활성화 온도 도달여부를 판정하고, UCC가 비활성화 온도의 영역에 포함되면 공연비를 희박하게 제어하여 배기가스에 충분한 산소량이 공급되도록 함으로서, 삼원촉매에 의해 탈착되는 THC의 안정된 정화효율이 확보되도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 차량의 배기가스 정화장치는, 제올라이트 및 삼원촉매가 하나의 담체에 구성되는 UCC와 상기 UCC의 하류측에 설치되는 온도센서를 포함하는 차량의 배기가스 정화장치에 있어서,
상기 온도센서의 정보를 분석하여 제올라이트에서 THC의 탈착이 발생되나 삼원촉매가 활성화 온도에 도달하지 않은 상태이면 배기가스에 충분한 산소량을 확보하기 위해 공연비를 희박하게 제어하고, 삼원촉매가 활성화 온도를 도달되면 이론 공연비로 복귀시키는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명은 냉간 상태에서 엔진 시동 온이 검출되면 UCC의 온도를 측정하여 THC의 탈착이 발생하는 제1기준온도에 도달하였는지 판단하는 과정;
UCC의 온도가 제1기준온도에 도달되었으면 배기가스에 충분한 산소량을 확보하기 위해 공연비를 희박 연소로 제어하는 과정;
시간의 경과에 따라 UCC의 온도가 제2기준온도에 도달되면 UCC의 활성화 진입으로 판단하여 희박 연소에서 이론 공연비 연소를 복귀하는 과정을 포함한다.

삭제

전술한 구성에 의하여 본 발명은 전체 운전 영역에서 THC를 안정되게 제거함으로써, 에미션을 향상시키는 효과가 기대된다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명은 엔진(100)에 근접하게 삼원촉매(200)가 장착되고, 상기 삼원촉매(200)와 연결되는 배기 파이프의 소정 위치에 UCC(300)가 장착된다.

상기 UCC(300)의 상류측에 공연비의 희박 혹은 농후를 판단하는 산소센서(400)가 장착되고, UCC(300)의 하류측에 UCC(300)의 활성화 온도를 검출하기 위한 온도센서(500)가 장착되어 제어부(600)에 연결된다.

따라서, 제어부(600)는 엔진 시동 온 이후 온도센서(500)의 정보를 판독하여 UCC(300)가 비활성화 온도의 조건이면 공기량과 부하 및 엔진 회전수로 결정되는 공연비를 희박하게 제어하여 배기가스에 충분한 산소량을 확보하고, 활성화 온도를 도달되면 이론 공연비로 복귀시킨다.

상기 제어부(600)는 엔진 시동 온 이후 UCC(300)가 대략적으로 150℃의 조건에 도달하는 경우 공연비를 희박하게 하여 UCC(300)의 제올라이트에서 탈착되는 촉매가 삼원촉매에 의해 안정된 산화반응이 일어나도록 배기가스에 산소량을 충분하게 공급시킨다.

그리고, UCC(300)가 활성화 온도, 대략적으로 300℃의 조건에 도달하면 공연비를 이론 공연비로 제어하여 엔진의 안정된 출력을 확보하여 준다.

이에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

냉간 상태에서 시동 온 되면 엔진(100)에서 배출되는 THC는 촉매가 활성화되기 이전이지만 도 4에 도시된 "A1"의 영역과 같이 UCC(300)의 담체에 구성되는 제올라이트에 흡착되어 배출량이 감소하게 된다.

그러나, 시간이 경과함에 따라 UCC(300)가 배기가스에 의해 가열되어 "t1" 구간에 도달하면 제올라이트에 흡착된 THC의 탈착이 발생되어 실제 UCC(300) 전단에서 입력되는 THC량 보다 더욱 많이 배출된다.

이 구간은 UCC(300)의 제올라이트 상층에 도포된 삼원촉매의 성분이 정화온 도에 도달하지 못한 베드온도의 조건이고, 공연비의 농후한 조건에 의해 산소의 량이 부족해서 탈착된 THC를 정화하지 못하는 상태이다.

그러나, 시간이 더 경과하여 "t2"구간에 이르게 되면 UCC(300)는 활성화 온도에 도달되어 제올라이트에서 탈착되는 THC의 안정된 정화를 진행된다.

따라서, 제어부(600)는 UCC(300)의 하류측에 설치된 온도센서(500)의 정보를 판독하여 "t1~t2"구간에서 제올라이트에서 탈착되는 THC의 정화성능을 극대화하기 위해 엔진을 희박 운전으로 제어하여 배기가스에 충분한 산소량을 확보하여 준다.

이에 대한 동작을 도 5를 참조하여 설명한다.

엔진(100)의 냉간 상태에서 시동 온 되면(S101) 제어부(600)는 UCC(300)의 하류측에 설치된 온도센서(500)로부터 UCC(300)의 온도를 검출한다(S102).

그리고, 온도센서(500)로부터 검출되는 UCC(300)의 온도가 제올라이트에 흡착된 THC의 탈착이 발생되는 비활성 온도인 제1기준온도, 예를 들어 150℃ 이상으로 가열되었는지 판단한다(S103).

상기 UCC(300)의 온도가 설정된 제1기준온도 이상으로 가열되었으면 제올라이트에서 THC의 탈착이 발생되나 삼원촉매의 활성화가 이루어지지 않은 조건으로 판단하여 제올라이트에서 탈착되는 THC의 정화성능을 극대화하기 위하여 공기량, 부하 및 엔진회전수의 조건으로 결정되는 공연비를 농후에서 희박 운전으로 제어한다(S104).

이후, 연속적으로 UCC(300)의 온도를 검출하여(S105) 설정된 제2기준온도, 예를 들어 350℃ 이상으로 가열되었는지를 판단한다(S106).

상기 제2기준온도는 UCC(300)에 구성되는 삼원촉매의 활성화 온도로, 제올라이트에서 탈착되는 THC의 정상적인 정화가 가능한 조건이다.

상기 S106에서 UCC(300)의 온도가 제2기준온도 이상으로 가열되었으면 제어부(600)는 공연비를 희박 운전에서 이론 공연비 운전으로 제어한다(S107).

그리고, 온도센서(300)의 정보를 분석하여 UCC(300)의 열화도를 판정하며(S108), 판정되는 결과를 설정된 소정의 방식으로 제공한다(S109).

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.

도 1은 차량의 배기가스 정화장치에서 촉매장치의 단면 구조 및 THC의 흡착 원리를 도시한 개념도이다.

도 2는 차량의 배기가스 정화장치에 흡착된 THC의 탈착에 따른 운전영역을 도시한 그래프이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 정화장치를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 4는 엔진 시동 후 시간의 경과에 따른 THC의 배출을 도시한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 차량에서 배기가스 정화 제어 절차를 도시한 흐름도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : 엔진 200 : MCC

300 : UCC 400 : 산소센서

500 : 온도센서 600 : 제어부

Claims (2)

1. 제올라이트 및 삼원촉매가 하나의 담체에 구성되는 UCC와 상기 UCC의 하류측에 설치되는 온도센서를 포함하는 차량의 배기가스 정화장치에 있어서,

   상기 온도센서의 정보가 THC를 탈착시키는 제올라이트 활성화 온도이고 삼원촉매 비활성화 온도이면 배기가스에 충분한 산소량을 확보하기 위해 공연비를 희박하게 제어하고, 삼원촉매가 활성화 온도를 도달되면 이론 공연비 제어를 실행하는 제어부;

   를 포함하는 차량의 배기가스 정화장치.
2. 냉간 상태에서 엔진 시동 온이 검출되면 UCC의 온도를 측정하여 THC의 탈착이 발생하는 제1기준온도에 도달하였는지 판단하는 과정;

   UCC의 온도가 제1기준온도에 도달되었으면 배기가스에 충분한 산소량을 확보하기 위해 공연비를 희박 연소로 제어하는 과정;

   시간의 경과에 따라 UCC의 온도가 제2기준온도에 도달되면 UCC의 활성화 진입으로 판단하여 희박 연소에서 이론 공연비 연소를 복귀하는 과정을 포함하는 차량의 배기가스 정화장치 제어방법.

Images