KR100992812B1

KR100992812B1 - 선택적 촉매 열화도 추정장치 및 방법

Info

Publication number: KR100992812B1
Application number: KR1020080101669A
Authority: KR
Inventors: 강중훈
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2008-10-16
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2010-11-08
Anticipated expiration: 2028-10-16
Also published as: KR20100042496A

Abstract

본 발명은 디젤 엔진에서 NOx 후처리장치로 적용되는 SCR촉매의 열화도 판정에 정확성을 제공하여 차량의 운행에 에미션의 안정성을 제공하는 것이다.

본 발명은 SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도 및 유량을 검출하여 보정 맵에 적용하는 과정, 배기가스 온도에 시간에 따른 온도별 가중치를 적용하여 적산 누적하고, 적산 누적된 값과 보정 맵이 적용된 배기가스 유량을 연산하여 유효 열화시간을 추출하는 과정, 유효 열화시간을 적산하여 누적 유효열화시간을 추출한 다음 열화도 맵에 적용하여 SCR촉매의 열화도를 추정하는 과정을 포함한다.

SCR, 열화도, 배기가스 유량, NOx, 에미션

Description

선택적 촉매 열화도 추정장치 및 방법{System and method for estimation a Selective Catalytic Reduction Catalyst Aging}

본 발명은 디젤 엔진의 후처리장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 NOx 후처리장치로 적용되는 SCR촉매(Selective Catalytic Reduction Catalyst)의 열화도 판정에 정확성을 제공하여 차량의 운행에 에미션의 안정성을 제공하는 선택적 촉매 열화도 추정장치 및 방법에 관한 것이다.

디젤엔진에 적용되는 SCR촉매는 촉매 상류에 우레아(Urea) 수용액을 주입하여 암모니아(NH3)를 생산하고, 암모니아를 환원제로 사용하여 NOx를 환원시켜 정화하는 것으로, NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라 산소가 존재하는 경우에도 NOx와 암모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있다.

상기한 SCR촉매는 신품과 비교하여 차량의 내구에 따라 고품으로 되어갈수록 고온노출(온도) 및 THC 피독의 영향으로 열화되어 NOx 정화효율이 저하된다.

따라서, 물리/화학적인 실질적인 NOx 정화효율에 따라 NOx 정화효율의 보정이 DCU(Dosing Control Unit) 내에서 이루어지지 않을 경우 다음의 2가지 현상이 발생하게 된다.

첫 번째로 실제 NOx 정화효율 보다 많은 양의 우레아 수용액이 분사되는 경우 암모니아가 과잉 생산된 암모니아의 대기 유출이 발생되어 에미션을 더욱 악화시키는 문제점을 발생시킨다.

두 번째로 실제 NOx 정화효율 보다 적은 양의 우레아 수용액이 분사되는 경우 NOx 정화율의 부족으로 정화되지 않은 NOx가 대기로 유출되어 에미션을 악화시키는 문제점을 발생시킨다.

따라서, 화학적인 실제의 NOx 정화율을 정확하게 예측하는 것이 필요한데, 이것이 바로 SCR촉매 모델의 가장 중요한 역할이다.

SCR촉매의 실제 정화효율에 영향을 주는 것은 물리/화학적인 인자로는 촉매의 온도, 촉매 내 흡장된 암모니아량, 배기가스 유량, SCR촉매 전단의 NOx량, NO/NO2 비율, SCR 촉매의 열화도이다.

물리적으로 SCR촉매의 열화도에 영향을 주는 인자는 온도 및 수분 함량인데, 수분함량에 대한 보정을 위해 실질적인 수분추정 및 수분량의 정도를 구현하는 것이 기술적으로 난해하여 아직 적용되고 있지 못하다.

동일온도의 조건이라도 건조공기(Thermal aging) 대비 수분함량 상태(Hydrothermal aging)쪽에 열적 에너지가 높아 열화(Aging)에 더 큰 영향을 주므로, 수분함량이 높을수록 열용량이 증대되어 SCR촉매에 미치는 열화정도가 크게 작용한다.

SCR촉매의 열화도 추정에 이용되고 있는 인자는 바로 온도뿐이다.

통상적으로 100℃ 간격의 온도 스텝별로 단위 시간 당 열화도 정도를 측정한 후 차량 운행시 모든 SCR온도를 적산하여 일정구간(통상 100℃간격)으로 히스토그램(Histogram)을 작성하고 앞서의 미리 측정된 온도구간 별 단위시간 당의 열화도 정도 표에 적용하여 최종적인 온도 열화도를 평가한다.

이와 같은 종래의 SCR촉매 열화도 추정방법은 촉매에 미치는 열화도에 영향을 주는 인자를 온도 함수만을 고려하고 있어 정확한 열화도의 추정이 제공되지 못한다.

예를 들어, 엔진의 운전영역이 동일 온도라도 배기가스 유량은 모두 다르기 때문에 열화도에 미치는 영향이 다른데도 이에 대하여 정확하게 반영되지 못하는 단점이 있다.

첨부된 도 3에 도시된 바와 같이, 차량의 내구에 따라 SCR촉매가 열화되면 정상적인 SCR촉매가 갖는 정화효율(A)에 비하여 현저하게 저하된 정화효율(B)을 가지게 되며, 이에 따라 에미션을 안정되게 유지하지 못하게 된다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도와 배기가스가 갖는 유량을 적용하여 SCR촉매의 열화도 판정에 정확성을 제공하도록 하는 것이다.

상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 선택적 촉매 열화도 추정장치는, SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하는 온도 검출부; SCR촉매 를 통과하는 배기가스의 유량을 검출하는 유량 검출부; SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도와 유량에 가중치를 적용하여 누적 열화시간을 추출하고, 열화도 맵을 적용하여 열화시간에 따른 SCR촉매의 열화도를 추정하는 제어부를 포함한다.

또한, 본 발명의 특징에 따른 선택적 촉매 열화도 추정방법은, SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도 및 유량을 검출하여 보정 맵에 적용하는 과정; 배기가스 온도에 시간에 따른 온도별 가중치를 적용하여 적산 누적하고, 적산 누적된 값과 보정 맵이 적용된 배기가스 유량을 연산하여 유효 열화시간을 추출하는 과정; 유효 열화시간을 적산하여 누적 유효열화시간을 추출한 다음 열화도 맵에 적용하여 SCR촉매의 열화도를 추정하는 과정을 포함한다.

전술한 구성에 의하여 본 발명은 SCR촉매의 열화도를 보다 정확하게 측정하여 열화도에 따른 우레아의 분사로 NOx의 정화효율을 향상시켜 에미션을 안정하는 효과를 기대할 수 있다.

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 1은 본 발명의 실시예에 따른 선택적 촉매 열화도 추정장치의 개략적인 구성을 도시한 도면이다.

본 발명은 SCR온도 검출부(100)와 배기가스 유량 검출부(200) 및 제어부(300)를 포함한다.

온도 검출부(100)는 SCR촉매에 장착되는 온도센서로, SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(300)에 제공한다.

유량 검출부(200)는 SCR촉매를 통과하는 배기가스의 유량을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(300)에 제공한다.

상기 배기가스의 유량은 공기 유량계의 질량값과 인젝터의 연료량 합산치를 이용하여 검출할 수 도 있다.

제어부(300)는 SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도와 유량에 가중치를 적용하여 누적 열화시간을 추출하고, 열화도 맵을 적용하여 열화시간에 따른 SCR촉매의 열화도를 추정한다.

상기 제어부(300)는 온도별 가중치 시간 맵(310)과 배기가스 유량 보정 맵(320)과 누적 열화시간 맵(340) 및 유효 열화도 맵(350)이 설정된다.

전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명에서 SCR촉매 열화도를 추정하는 동작은 다음과 같다.

엔진의 시동 온되면 제어부(300)는 운전조건에 따라 SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도, 머무른 시간 및 배기가스의 유량을 검출한다(S101)(S102).

이후, 상기 검출되는 배기가스의 온도에 대하여 온도별 가중치 시간 맵(310) 을 적용한다.

즉, 배기가스의 온도가 낮으면 SCR촉매의 열화도에 미치는 영향이 적으므로 온도별 가중치 시간 맵(310)을 적용하여 그 값을 축소시키고, 배기가스의 온도가 높은 영역에서 머무른 시간은 열화에 미치는 영향도가 크므로 온도별 가중치 시간 맵(310)을 적용하여 그 값을 확대하여 각 온도의 값을 적산 누적한다(S103).

배기가스의 온도가 동일한 조건이라도 SCR촉매를 통과하는 배기가스의 유량이 많으면 배기가스가 가진 에너지가 많게 되며 SCR촉매가 견딜 수 있는 결합력 이상의 에너지 충격을 주게 된다.

따라서, 상기 검출되는 배기가스 유량에 유량 보정 맵(320)을 적용한다(S104).

이후, 온도별 가중치 시간이 적용되어 적산 누적된 배기가스의 온도와 유량 보정 맵(320)이 적용된 배기가스 유량을 곱 연산하여 유효 열화시간을 추출하고(S105), 유효 열화시간을 누적한 다음 열화시간 맵(340)에 적용하여 누적 유효 열화시간을 추출한다(S106).

그리고, 시간별 열화도 가중치가 설정되는 열화도 맵(S35)에 적용하여(S107) SCR촉매의 열화도를 추정한다(S108).

상기한 SCR촉매의 열화도 추정은 열량의 함수로 하기의 수학식 1과 같은 열화지수로 표시할 수 있다.

Q = c(배기가스 비열) × m(배기가스 질량) × T(배기가스 온도)

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 2는 본 발명의 실시예에 따라 선택적 촉매 열화도 추정을 실행하는 흐름도이다.

도 3은 선택적 촉매의 열화에 따른 NOx 정화효율을 도시한 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : SCR 온도 검출부 200 : 배기가스 유량 검출부

300 : 제어부

Claims

SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도를 검출하는 온도 검출부;

SCR촉매를 통과하는 배기가스의 유량을 검출하는 유량 검출부;

SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도와 유량에 가중치를 적용하여 누적 열화시간을 추출하고, 열화도 맵을 적용하여 열화시간에 따른 SCR촉매의 열화도를 추정하는 제어부;

를 포함하는 선택적 촉매 열화도 추정장치.
제1항에 있어서,

상기 제어부는 온도별 가중치 시간 맵, 배기가스 유량 보정 맵, 누적 열화시간 맵, 유효 열화도 맵을 포함하는 선택적 촉매 열화도 추정장치.
SCR촉매를 통과하는 배기가스의 온도 및 유량을 검출하여 보정 맵에 적용하는 과정;

배기가스 온도에 시간에 따른 온도별 가중치를 적용하여 적산 누적하고, 적산 누적된 값과 보정 맵이 적용된 배기가스 유량을 연산하여 유효 열화시간을 추출하는 과정;

유효 열화시간을 적산하여 누적 유효열화시간을 추출한 다음 열화도 맵에 적용하여 SCR촉매의 열화도를 추정하는 과정;

을 포함하는 선택적 촉매 열화도 추정방법.