KR101055838B1 - Temperature Prediction Device and Method of SCR Catalyst - Google Patents
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Abstract
본 발명은 디젤 차량에 장착되는 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매에서, 우레아(Urea) 수용액의 분사에 따른 증발잠열을 고려한 온도 모델링으로 SCR촉매의 온도를 정확하게 예측하도록 하는 것이다.The present invention is to accurately predict the temperature of the SCR catalyst by temperature modeling considering the latent heat of evaporation due to the injection of aqueous urea (Urea) in the SCR (Selective Catalytic Reduction) catalyst mounted on a diesel vehicle.
본 발명은 시동 온 되면 연료 분사량을 포함하는 엔진제어정보를 검출하고, SCR촉매에 유입되는 배기가스 온도를 검출하는 과정, 배기가스의 유입에 따른 촉매 온도 상승분과 대류 열전달 손실을 모델링으로 예측하는 과정, 우레아 수용액의 분사유량에 따른 증발잠열 손실을 모델링하여 상기 과정에서 예측된 온도 상승분과 대류 열전달 손실에 적용하여 SCR촉매 온도를 예측하는 과정을 포함한다.The present invention detects engine control information including fuel injection amount when the engine is turned on, detects the exhaust gas temperature flowing into the SCR catalyst, and predicts the catalyst temperature rise and the convective heat transfer loss due to the inflow of the exhaust gas. , Modeling the latent heat loss of evaporation according to the injection flow rate of the aqueous urea solution, and applying the temperature rise and convective heat transfer losses predicted in the above process to predict the SCR catalyst temperature.
따라서, 정확한 암모니아 필요량이 계산되고 그에 따른 우레아 수용액의 분사가 제어되어 NOx 정화 효율을 높이는 효과가 제공된다.Therefore, the exact amount of ammonia required is calculated and the injection of the aqueous urea solution is thus controlled to provide the effect of increasing the NOx purification efficiency.
SCR촉매, 온도 모델링, 증발잠열, 우레아 수용액 SCR catalyst, temperature modeling, latent heat of evaporation, urea solution
Description
본 발명은 디젤 차량에 장착되는 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 우레아(Urea) 수용액의 분사에 따른 증발잠열을 고려한 온도 모델링으로 SCR촉매의 온도를 정확하게 예측하도록 하는 SCR촉매의 온도 예측장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a SCR (Selective Catalytic Reduction) catalyst mounted on a diesel vehicle, and more particularly, to an SCR catalyst for accurately predicting the temperature of the SCR catalyst by temperature modeling considering the latent heat of evaporation due to the injection of urea solution. The present invention relates to a temperature predicting apparatus and a method.
디젤 엔진이 적용되는 차량은 강화되는 북미 및 유럽의 배기가스 규제에 따라 배기가스에 포함된 NOx, CO, THC, 입자상 물질(Particulate Matters : PM)등의 유해물질을 제거시키기 위한 다양한 형태의 후처리 장치가 장착된다.Vehicles with diesel engines are subject to various types of post-treatment to remove harmful substances such as NOx, CO, THC and Particulate Matters (PM) contained in the exhaust gas in accordance with the tightened emission regulations in North America and Europe. The device is mounted.
후처리 장치로는 엔진과 근접하게 배치되어 NMHC(Non-Methane HydroCarbons) 변환기능을 실행하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), 입자상 물질을 포집하는 DPF(Diesel Particulate Filter), 환원작용을 통해 NOx를 정화하는 SCR촉매가 포함된다.The post-treatment unit is located close to the engine and performs DOC (Diesel Oxidation Catalyst), which performs Non-Methane HydroCarbons (NMHC) conversion function, Diesel Particulate Filter (DPF), which collects particulate matter, and purifies NOx through reduction. SCR catalysts are included.
상기 SCR촉매는 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아(NH3)를 사용하며, NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라 산소가 존재하는 경우에도 NOx와 암모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있다.The SCR catalyst uses ammonia (NH 3 ) as a reducing agent for purifying NOx, and has an advantage in that the reaction between NOx and ammonia is promoted even in the presence of oxygen as well as excellent selectivity to NOx.
SCR촉매는 NOx정화 성능을 일정수준으로 이상으로 유지하기 위해 전단부에 배치되는 도징모듈(Dosing Module)로 우레아(Urea) 수용액을 분사하고, 배기가스의 열에 의한 열분해 및 가수분해되어 생성되는 암모니아(NH3)를 취득하여 흡장하며, 흡장된 암모니아와 NOx를 반응시켜 정화시킨다.SCR catalyst is a dosing module disposed at the front end to maintain NOx purification performance above a certain level. NH 3 ) is obtained and occluded and purified by reacting the occluded ammonia with NOx.
우레아 수용액의 화학적 변환은 다음과 같다.The chemical conversion of the aqueous urea solution is as follows.
(NH2)2CO + H2O → 2NH3 + CO2 (NH 2 ) 2 CO + H 2 O → 2NH 3 + CO 2
상기와 같이 취득되어 흡장된 암모니아(NH3)와 NOx의 화학적 반응은 다음과 같다.The chemical reaction of ammonia (NH 3 ) and NO x obtained and occluded as described above is as follows.
4NH3 + 4NO + O2 → 4N2 + 6H2O4NH 3 + 4NO + O 2 → 4N 2 + 6H 2 O
4NH3 + 2NO2 + O2 → 3N2 + 6H2O4NH 3 + 2NO 2 + O 2 → 3N 2 + 6H 2 O
8NH3 + 6NO2 → 7N2 + 12H2O8NH 3 + 6NO 2 → 7N 2 + 12H 2 O
2NH3 + NO + NO2 → 2N2 + 3H2O2NH 3 + NO + NO 2 → 2N 2 + 3H 2 O
상기 SCR촉매의 온도와 암모니아 흡착량의 관계는 SCR촉매의 온도가 낮으면 흡착이 느리게 진행되고 온도가 높으면 흡착이 빠르게 진행된다.The relationship between the temperature of the SCR catalyst and the ammonia adsorption amount is that the adsorption proceeds slowly when the temperature of the SCR catalyst is low and that adsorption proceeds rapidly when the temperature is high.
따라서, SCR촉매의 암모니아 흡착량을 결정하기 위하여 SCR촉매의 내부에서는 온도 차이가 없다고 가정한 상태에서 SCR촉매의 전/후단에 설치되는 온도센서를 이용하여 SCR촉매의 온도를 추출하고, 설정된 맵에 추출된 온도정보를 적용하여 SCR촉매의 부피에 따른 암모니아 흡장 가능량을 예측하고 목표 암모니아 흡장량을 결정하였다.Therefore, in order to determine the ammonia adsorption amount of the SCR catalyst, the temperature of the SCR catalyst is extracted by using a temperature sensor installed at the front and rear of the SCR catalyst under the assumption that there is no temperature difference inside the SCR catalyst, The extracted temperature information was applied to predict the possible amount of ammonia occlusion according to the volume of SCR catalyst and to determine the target amount of ammonia occlusion.
그리고, SCR촉매의 목표 암모니아 흡장량과 현재의 암모니아 흡장량의 차이에 따라 우레아 수용액을 분사량을 결정하였다.The injection amount of the aqueous urea solution was determined according to the difference between the target ammonia storage amount and the current ammonia storage amount of the SCR catalyst.
최근 들어 원가절감을 위해 SCR촉매의 전/후단에 설치되는 온도센서를 배제하고, 모델링을 통해 SCR촉매의 온도를 예측하는 방법이 적용되고 있다.Recently, the method of predicting the temperature of the SCR catalyst through modeling has been applied, except for the temperature sensor installed at the front and rear of the SCR catalyst for cost reduction.
그러나, 도 3에 도시된 바와 같이 암모니아를 취득하기 위하여 도징모듈을 통해 SCR촉매에 우레아 수용액을 분사(A)하는 경우 SCR촉매의 내부에서는 증발잠열에 의해 냉각효과가 나타나므로 우레아 수용액이 분사되지 않는 상태(B) 보다 온도가 낮아지는 현상이 발생한다.However, when urea aqueous solution is injected to the SCR catalyst (A) through the dosing module to obtain ammonia, as shown in FIG. 3, the cooling effect is caused by the latent heat of evaporation of the SCR catalyst. The phenomenon that temperature becomes lower than state (B) occurs.
종래 SCR촉매의 온도 모델링 방법은 우레아 수용액의 분사시 증발잠열에 따른 SCR촉매의 냉각효과를 고려하지 않고 있으므로, SCR촉매에 대한 온도의 예측이 부정확하며, 이에 따라 암모니아 흡장량 역시 정확하게 예측되지 못하여 SCR촉매의 정화효율을 저하시키는 문제점이 있다.Since the temperature modeling method of the conventional SCR catalyst does not consider the cooling effect of the SCR catalyst due to the latent heat of evaporation during the spraying of the urea solution, the prediction of the temperature for the SCR catalyst is inaccurate. There is a problem of lowering the purification efficiency of the catalyst.
또한, 우레아 수용액의 분사량이 정확하게 제어되지 못하여 암모니아의 과다 생산 혹은 과소 생산으로 인하여 에미션을 불안정하게 하는 단점이 있다.In addition, the injection amount of the urea aqueous solution is not precisely controlled, there is a disadvantage in that the emission is unstable due to overproduction or underproduction of ammonia.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 우레 아 수용액의 분사에 따른 증발잠열을 고려한 온도 모델링으로 SCR촉매의 온도를 정확하게 예측하여 암모니아 흡장량 제어에 안전성을 제공하고, NOx 정화율을 향상시켜 에미션 안정화를 제공하는 것이다.The present invention has been invented to solve the above problems, the object of which is to accurately predict the temperature of the SCR catalyst by temperature modeling considering the latent heat of evaporation according to the injection of urea aqueous solution provides safety in the control of ammonia storage amount, NOx It is to improve the purification rate to provide emission stabilization.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 SCR촉매의 온도 예측장치는, 흡장된 암모니아와 NOx를 반응시켜 NOx를 정화하는 SCR촉매; 도징모듈의 전단에 설치되어 배기가스의 온도를 검출하는 온도센서; SCR촉매의 후단에 설치되는 NOx센서; SCR촉매의 온도 상승분과 대류 열전달 손실을 모델링으로 예측하고, 우레아 수용액의 분사량에 따른 증발잠열 손실을 예측한 다음 온도 상승분과 대류 열전달 손실을 적용하여 SCR촉매의 온도를 예측하는 제어부를 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided an apparatus for predicting temperature of an SCR catalyst, comprising: an SCR catalyst for purifying NOx by reacting occluded ammonia with NOx; A temperature sensor installed at a front end of the dosing module to detect a temperature of the exhaust gas; A NOx sensor installed at the rear of the SCR catalyst; It includes a control unit that predicts the temperature rise and convective heat transfer loss of the SCR catalyst by modeling, predicts the latent heat loss due to the injection amount of the urea aqueous solution, and then applies the temperature rise and the convective heat transfer loss to predict the temperature of the SCR catalyst.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 SCR촉매의 온도 예측방법은, 시동 온 되면 연료 분사량을 포함하는 엔진제어정보를 검출하고, SCR촉매에 유입되는 배기가스 온도를 검출하는 과정; 배기가스의 유입에 따른 촉매 온도 상승분과 대류 열전달 손실을 모델링으로 예측하는 과정; 우레아 수용액의 분사유량에 따른 증발잠열 손실을 모델링하여 상기 과정에서 예측된 온도 상승분과 대류 열전달 손실에 적용하여 SCR촉매 온도를 예측하는 과정을 포함한다.In addition, the SCR catalyst temperature prediction method according to an embodiment of the present invention, detecting the engine control information including the fuel injection amount when the start-up, detecting the exhaust gas temperature flowing into the SCR catalyst; Modeling the catalyst temperature rise and the convective heat transfer losses due to the inflow of exhaust gas; Modeling the latent evaporative heat loss according to the injection flow rate of the urea aqueous solution and applying the temperature rise and convective heat transfer loss predicted in the above process to predict the SCR catalyst temperature.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 SCR촉매의 정확한 온도를 예측함으로써 암모니아 흡장량 제어에 신뢰성을 제공하고, NOx 정화율을 극대화하여 에미션을 안정화한다.By the above-described configuration, the present invention provides reliability in ammonia storage amount control by predicting the correct temperature of the SCR catalyst, and stabilizes the emission by maximizing the NOx purification rate.
또한, SCR 장치의 정확한 온도 예측으로 암모니아 생성을 위한 정확한 우레아 수용액의 분사 제어가 제공되어 암모니아의 과다 혹은 과소 생성이 발생되지 않아 에미션을 안정되게 유지한다.In addition, accurate temperature prediction of the SCR device provides precise injection control of the aqueous urea solution for ammonia production, so that excessive or under-generation of ammonia does not occur to keep the emission stable.
아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art may easily implement the present invention.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.The present invention can be embodied in various different forms, and thus the present invention is not limited to the embodiments described herein.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SCR 장치의 온도 예측장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a temperature predicting apparatus of an SCR apparatus according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 동력원인 엔진(2)과 배기 파이프(6), SCR촉매(10), 온도센서(12), NOx센서(14), 도징모듈(20), 믹서(22), 우레아 탱크(30), 펌프(32), 공급라인(34), 압력센서(36) 및 제어부(40)를 포함한다.The present invention is a
상기 SCR촉매(10)는 V2O5/TiO2 또는 Pt/Al2O3 또는 제올라이트(Zeolite)로 이루어지며, 동력원인 엔진(2)과 연결되는 배기 파이프(6)의 소정 위치에 배치되어 도징모듈(20)에서 분사되는 우레아에서 암모니아를 취득하여 흡장하고, 흡장된 암모니아와 NOx를 반응시켜 NOx를 정화한다.The
온도센서(12)는 도징모듈(20)의 전단에 배치되어 SCR촉매(10)에 유입되는 배기가스의 온도를 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(40)에 제공한다.The
NOx센서(14)는 SCR촉매(10)의 후단(출구측)에 배치되어 SCR촉매(10)를 통해 정화된 배기가스에 포함된 NOx양을 검출하여 그 정보를 제어부(40)에 제공한다.The
도징모듈(20)는 제어부(40)의 제어에 따라 인젝터가 작동되어 SCR촉매(10)에서 흡장에 필요한 암모니아를 생성시키기 위한 우레아 수용액을 분사한다.The
믹서(22)는 도징모듈(20)과 SCR촉매(10)의 사이에 배치되어 도징모듈(20)을 통해 분사되는 우레아 수용액의 입자를 충돌시켜 입자를 쪼개는 역할을 하며 이를 통해 배기가스와 분사된 우레아 입자가 골고루 섞여 SCR촉매(10)내에서의 균일성을 좋게 한다.The
우레아 탱크(30)는 우레아 수용액이 수용되고, 내부에 장착되는 펌프(32)의 구동으로 공급라인(34)에 설정된 균등한 압력을 형성시켜 도징모듈(20)이 작동되는 경우 SCR촉매(10)의 전단에 우레아 수용액을 고압으로 분사한다.The urea
압력센서(36)는 공급라인(34)에 형성되는 압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(40)에 제공하여 엔진(2)이 시동 온을 유지하고 있는 상태에서 항상 설정된 압력이 유지될 수 있도록 한다.The
제어부(40)는 모델링을 통해 SCR촉매(10)의 온도 상승분과 대류 열전달 손실을 예측하고, 우레아 수용액의 분사량에 따른 증발잠열의 손실을 예측한 다음 온도 상승분과 대류 열전달 손실 및 증발잠열 손실을 적용하여 SCR촉매(10)의 온도를 예측한다.The
상기 제어부(40)는 SCR촉매(10)의 온도 상승분을 SCR촉매(10)에 유입되는 배기가스 유량, SCR촉매(10)의 압력, SCR촉매(10)에 유입되는 배기가스의 온도, SCR촉매(10)의 온도를 적용한 모델링으로 예측하고, 대류 열전달 손실을 대류 열전달 계수, SCR촉매(10)의 표면적, SCR촉매(10)의 온도, 외기온도를 적용한 모델링으로 예측한다.The
상기와 같은 모델링을 통해 SCR촉매(10)의 정확한 온도가 예측되면 그에 따른 암모니아 흡장량을 계산하고, 도징모듈(20)을 통해 우레아 수용액의 분사량을 제어한다.When the accurate temperature of the
전술한 바와 같은 기능이 포함되는 본 발명에서 SCR촉매의 온도를 예측하는 동작에 대하여 설명하면 다음과 같다.Referring to the operation of predicting the temperature of the SCR catalyst in the present invention that includes the function as described above are as follows.
본 발명에 따른 디젤차량의 엔진이 시동 온 되면 제어부(40)는 도시되지 않은 다양한 센서로부터 연료분사량 등의 정보를 검출하고, 도징모듈(20)의 전단에 설치된 온도센서(12)의 정보를 검출하여 SCR촉매(10)에 유입되는 배기가스의 온도와 배기가스의 온도에서 추정되는 SCR촉매(10)의 온도를 판단한다(S101).When the engine of the diesel vehicle according to the present invention is started on, the
이후, 상기 제어부(40)는 연료분사량에서 산출되는 SCR촉매(10)에 유입되는 배기가스 유량, SCR촉매(10)의 압력과 상기 온도센서(12)에서 검출되는 SCR촉매(10)에 유입되는 배기가스의 온도, 추정되는 SCR촉매(10)의 온도를 적용하여 SCR촉매(10)의 온도 상승분을 모델링한다(S102).Thereafter, the
그리고, 대류 열전달 계수와 SCR촉매(10)의 표면적, SCR촉매(10)의 온도, 외기온도를 적용하여 SCR촉매(10)의 대류 열전달 손실을 모델링한다(S103).The convective heat transfer loss of the
또한, 상기 제어부(40)는 우레아 수용액의 분사유량에 따른 증발잠열 손실을 모델링한 다음(S104) 상기 온도 상승분과 대류 열전달 손실 및 증발잠열 손실을 적용하여 SCR촉매(10)의 정확한 온도를 예측한 다음 SCR촉매(10)의 온도에 따른 암모니아 흡장량을 계산하고, 도징모듈(20)을 통해 우레아 수용액의 분사량을 제어한다(S105).In addition, the
따라서, SCR촉매(10)의 정확한 온도 정보가 적용된 암모니아 필요량의 계산과 그에 따른 우레아 수용액의 분사 제어가 실행되어 NOx의 정화 효율을 높여 에미션을 안정되게 유지한다.Therefore, the calculation of the required amount of ammonia to which the accurate temperature information of the
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것이 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements of those skilled in the art using the basic concepts of the present invention defined in the following claims are also provided. It is included in the scope of rights.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SCR 촉매의 온도 예측장치를 개략적으로 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing an apparatus for predicting a temperature of an SCR catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SCR 촉매의 온도 예측절차를 도시한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating a temperature prediction procedure of an SCR catalyst according to an embodiment of the present invention.
도 3은 SCR촉매의 우레아 수용액 분사에 따른 온도 변화 그래프이다.3 is a graph showing the temperature change according to the injection of the urea aqueous solution of the SCR catalyst.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
2 : 엔진 6 : 배기 파이프2: engine 6: exhaust pipe
10 : SCR촉매 12 : 온도센서10: SCR catalyst 12: temperature sensor
14 : NOx센서 20 : 도징모듈14: NOx sensor 20: dosing module
22 : 믹서 30 : 요소탱크22: mixer 30: urea tank
40 : 제어부 40: control unit
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