KR101097492B1 - 선택적 촉매 환원장치의 제어방법 - Google Patents

선택적 촉매 환원장치의 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 관한 것이다.
본 발명은 NOx 센서를 이용하여 SCR 촉매 후단의 NOx 배출량을 측정하여 상기 SCR 촉매에 저장되는 환원제 저장량을 추정하는 환원제 저장량 추정단계; 상기 환원제 저장량이 제1기준치와 제2기준치 사이 구간에서 변화하도록 환원제 분사량을 점진적으로 증가시키거나 점진적으로 감소시키는 저장량 증감단계;를 포함하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법을 제공한다.
본 발명에 의하면 NH3 저장량의 변화주기가 NOx 배출량에 상관없이 일정하며, NOx 슬립 및 NH3 슬립 역시 NOx 배출량에 상관없이 일정하다.
Figure R1020090081362
선택적 촉매 환원장치, SCR, 환원제, 암모니아

Description

선택적 촉매 환원장치의 제어방법{Control Method of A Selective Catalysts Reduction Apparatus in Diesel Engine}
본 발명은 선택적 촉매 환원장치(SCR)에 관한 것이다. 보다 상세하게는 엔진에서 배출되는 NOx의 급격한 변화에 상관없이 SCR 컨버터 내부에 저장되는 환원제 저장량을 적정하게 제어할 수 있으며 아울러 촉매의 열화를 진단할 수 있는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기가스는 배기 파이프에 연결된 촉매 컨버터(Catalytic converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 배기파이프를 통해 대기 중으로 방출된다.
상기와 같은 역할을 하는 촉매 컨버터에 적용되는 촉매형식 중의 하나로 선택적 촉매 환원 장치(SCR, Selective Catalytic Reduction)가 있다. 선택적 촉매 환원장치는 디젤 엔진에서 발생되는 배기가스를 환원제를 이용하여 촉매반응시켜 NOx를 N2와 H2O로 변환시켜 배기파이프로 배출시킨다.
상기 선택적 촉매 환원 장치 중에서 암모니아(NH3)-SCR은 NOx를 정화하기 위 한 환원제로 NH3를 사용하는 것으로 NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라, 산소(O2)가 존재하는 경우에 NO와 NH3 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있어 디젤 배기가스에 적용하기에 유리한 것으로 알려져 있다.
실제로 NH3-SCR은 대형 고정오염원인인 화력발전소에 적용되어 그 성능이 입증된 바 있다. 이러한 NH3-SCR을 자동차에 적용하여 NOx를 선택적으로 제거하고자 하는 것이 유레아-SCR(Urea-SCR)이다. 상기한 유레아-SCR은 유레아(NH2CONH2) 수용액을 SCR 촉매의 상류에 주입하여 유레아가 분해되면서 생성되는 NH3를 사용하여 NOx를 선택적으로 환원시키는 것이기 때문에 SCR 촉매를 기준으로 보았을 때에는 NH3-SCR이라고 볼 수 있다.
상기 NH3-SCR은 유레아를 배기가스 라인에 공급하여 NOx와 NH3를 촉매 반응시켜 NOx를 N2와 O2로 변환시킨다.
그러나, 실제 디젤 엔진의 배기에서 NOx가 차지하는 부분은 전체 배기 체적의 극히 일부에 불과하고, 유레아를 이용한 선택적 촉매 환원 장치가 최고 NOx 제거효율을 위해 필요한 유레아 첨가제의 양은 존재하는 NOx 체적의 반(체적비 = Urea 체적/NOx 체적 = 0.5) 정도면 효율적인 것으로 알려져 있다(즉, 배기 중 500ppm의 NOx를 제거하는데 250ppm의 유레아가 필요하다).
특히, 촉매 반응이 이루어지는 SCR 컨버터 내부에 저장되는 NH3의 저장용량 은 일반적으로 온도에 따라 감소하는 특성이 있다. 그러므로 SCR 촉매의 NOx 정화율은 NH3 저장용량 및 온도에 따라 결정된다.
한편, 이러한 유레아-SCR은 배기파이프를 통해서 나오는 배기가스 중 NOx의 양을 센서를 통해서 확인하고 ECU에서 유레아 분사량을 결정하여 촉매 컨버터의 전단 배기관에 유레아를 분사한다.
이와 같은 선택적 촉매 환원 장치에서 최종 유레아 분출량을 결정하기 위한 제어로직은 NOx센서를 통해 엔진에서 배출되는 NOx량을 계산하고, 이때 필요한 NH3의 양에 적절한 변환상수값을 곱하여 최종 유레아 분사량을 결정하게 된다.
그러나 NOx 센서는 NH3를 어느 정도 비율로 NOx인 듯이 인식하는 경향이 있어, SCR 컨버터 내부의 NH3 저장량은 도 1에 도시된 바와 같이 NOx 센서에 의해 관측된 결과값이 나타내는 포물선의 정점을 최소의 제어 포인트(Minimum)로 삼고 있다.
그런데 NOx 센서는 응답성이 느리기 때문에 엔진에서 배출되는 NOx량이 급격히 많아지는 경우에는 NOx 슬립이 많아지고 NH3 저장량이 급감하게 되며, NOx량이 급격이 감소하는 경우에는 NH3 슬립이 과도하게 발생하는 된다.
이처럼 종래의 선택적 촉매 환원장치에서는 NOx 배출량이 급격하게 변화하면, 컨버터 내부의 NH3 저장량의 변화량을 일정하게 제어하지 못하게 되므로 이에 따라 정화효율이 나빠지는 문제가 있다.
따라서 본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 엔진에서 배출되는 질소산화물(NOx)의 변화량에 따라 SCR 컨버터 내부에 저장되는 환원제 저장량의 변화량을 일정하게 유지하도록 제어할 수 있고 아울러 촉매의 열화를 진단할 수 있는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 NOx 센서를 이용하여 SCR 촉매 후단의 NOx 배출량을 측정하여 상기 SCR 촉매에 저장되는 환원제 저장량을 추정하는 환원제 저장량 추정단계; 상기 환원제 저장량이 제1기준치와 제2기준치 사이 구간에서 변화하도록 환원제 분사량을 점진적으로 증가시키거나 점진적으로 감소시키는 저장량 증감단계;를 포함하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법을 제공한다.
상기 저장량 증감단계는, 상기 NOx 측정단계의 측정 결과 엔진 상태가 NOx 배출이 증가하는 방향으로 급변하면 상기 제2기준치의 저장량을 유지하도록 분사량을 증가시키고, 상기 NOx 배출이 감소하는 방향으로 급변하면 상기 제1기준치의 저장량을 유지하도록 분사량을 감소시키는 것이 바람직하다.
상기 저장량 증감단계는, 상기 환원제 저장량이 증가될 경우 상기 환원제 저장량이 제2기준치에 도달했는지 여부를 판단하여 환원제 저장량의 증가값을 설정하는 저장량 증가값 설정단계를 더 포함할 수 있다.
상기 저장량 증감단계는, 상기 환원제 저장량이 감소될 경우 상기 환원제 저장량이 제1기준치에 도달했는지 여부를 판단하여 환원제 저장량의 감소값을 설정하는 저장량 감소값 설정단계를 더 포함할 수 있다.
상기 저장량 증가값 또는 감소값 설정단계에 따라 환원제 분사량을 계산하는 분사량 계산단계를 더 포함할 수 있다.
상기 저장량 증가값 설정단계 이전에는 저장량에 대한 상한선 유지가 필요한지 여부를 판정하는 상한선 유지 여부 판단 단계가 수행되며, 상한선 유지가 필요하지 않으면 상기 분사량 계산 단계를 수행하는 것일 수 있다.
상기 저장량 감소값 설정단계 이전에는 저장량에 대한 하한선 유지가 필요한지 여부를 판정하는 하한선 유지 여부 판단 단계가 수행되며, 하한선 유지가 필요하지 않으면 상기 분사량 계산 단계를 수행하는 것일 수 있다.
상기 제1기준치는 NOx 환원율 차원에서 고려한 환원제 저장량의 최소값이며 법규 규제에 따라 정해질 수 있다.
상기 제2기준치는 암모니아 슬립이 규정범위 이상 발생하지 않도록 하는 환 원제 저장량의 최대값을 의미할 수 있다.
상기 저장량 증감단계 이후에, NOx 센서로 측정되는 상기 NOx 배출량의 최소값과 평균값을 계산하는 계산 단계; 및 상기 계산 단계의 계산 결과값과 미리 설정된 제3기준치를 비교하여 촉매의 열화를 진단하는 열화 진단단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 NOx 배출량의 최소값이 제3기준치보다 크면 촉매 열화로 판정하고, 크지 않으면 NOx 배출량의 평균값을 제4기준치와 비교하는 것이 바람직하다.
상기 NOx 배출량의 평균값이 제4기준치 보다 크면 촉매의 열화로 판정하고, NOx 배출량의 평균값이 제4기준치보다 작으면 촉매를 정상으로 판정할 수 있다.
상기 제3기준치 및 제4기준치는 열화된 촉매로 테스트하여 측정한 수치 및 NOx 배출량 규제치에 따라 정해질 수 있다.
또한, 본 발명은 SCR 촉매에 환원제를 저장하는 저장량 증가 단계; NOx 센서를 이용하여 상기 SCR 촉매 후단의 NOx 배출량을 측정하는 NOx 측정단계; 상기 NOx 측정단계를 통해 상기 SCR 촉매에 저장되는 환원제 저장량을 추정하는 환원제 저장량 추정단계; 및 상기 환원제 저장량 추정단계에서 추정된 환원제 저장량을 제1기준치와 제2기준치 사이에서 유지하도록 환원제 분사량을 점진적으로 증가시키거나 점진적으로 감소시켜 환원제 저장량의 변동주기를 일정하게 유지시키는 저장량 증감단계;를 포함하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 의해 달성될 수 있다.
상기 NOx 측정단계의 측정 결과 엔진 상태가 NOx 배출이 증가하는 방향으로 급변하면 상기 제2기준치의 저장량을 유지하도록 상기 저장량 증감단계가 수행되 고, 상기 NOx 배출이 감소하는 방향으로 급변하면 상기 제1기준치의 저장량을 유지하도록 하는 상기 저장량 증감단계가 수행될 수 있다.
본 발명의 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 의하면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, NH3 저장량의 변화주기가 NOx 배출량에 상관없이 일정하며, NOx 슬립 및 NH3 슬립 역시 NOx 배출량에 상관없이 일정하다.
둘째, 엔진 상태가 급격히 변화하는 비정상(Unsteady) 상태에서도 비교적 일정한 수준으로 환원제 저장량의 변화량을 유지할 수 있다.
셋째, NOx 가스의 농도 및 유량이 급격하게 변화하지 않고 일정범위에서 지속적으로 변화하므로 환원제 분사량의 최적수준을 유지할 수 있다(NOx 가스량의 변동에 상대적으로 강건하다).
넷째, SCR 촉매 후단에 설치된 NOx 센서를 이용하여 촉매의 열화를 조사할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 대한 흐름도이다.
도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예의 선택적 촉매 환원장치는 엔진에서 발생하는 배기가스 중의 NOx를 측정하는 NOx 측정단계(S10)를 수행하여 SCR 촉매에 저장될 환원제의 저장량을 추정(S20)할 수 있다.
여기서 SCR 촉매는 촉매가 코딩되며 환원제인 NH3가 저장되는 SCR 컨버터의 내부를 의미한다. 상기 환원제는 유레아(Urea), NH3 또는 다른 물질이 사용될 수 있다. SCR 컨버터의 주재료는 제올라이트(Zeolite)가 사용되며, Cu-Zeolite나 Fe-Zeolite가 사용될 수 있다.
상기 NOx 측정단계(S10)는 NOx 센서를 이용하여 SCR 촉매 전단 및 후단의 NOx 배출량을 측정한다. 즉, SCR 촉매 전단에 마련된 NOx 센서는 SCR 촉매 통과전의 배기가스 중 NOx 배출량을 측정한다. 그리고 SCR 촉매 후단에 마련된 NOx 센서는 SCR 촉매를 통과하면서 촉매환원 반응을 거친 배기가스 성분 중 NOx 배출량을 측정한다.
상기 NOx 측정단계(S10)의 수행 초기에는 환원제를 SCR 컨버터 내부에 저장시키도록 환원제의 저장량을 <목표저장량>까지 증가시키는 저장량 증가 단계(S15)가 수행된다. 환원제가 분사되어 <목표저장량>에 이르도록 SCR 촉매에 저장되면 SCR 촉매를 통과하는 배기가스는 환원 반응을 하면서 정화되고 일부는 NOx 상태로 SCR 후단으로 배출되기 시작한다. 따라서 <목표저장량>에 이르렀던 환원제 저장량은 산화 환원 반응을 통해 변화된 <현재저장량>을 갖게 된다.
상기 <목표저장량>과 <현재저장량> 간에 오차가 생기므로 상기 NOx 측정단계(10) 수행시 측정된 NOx의 배출량을 통해 상기 SCR 촉매에 분사되는 환원제 저장량을 추정하는 환원제 저장량 추정단계(S20)를 수행한다.
상기 환원제 저장량 추정단계(S20)에서는 분사할 환원제량을 <목표저장량> - <현재저장량> + <SCR 전단 NOx량> + <단위 NOx량당 반응 NH3량>으로 계산할 수 있다. 상기와 같이 NOx 배출량에 따라 필요한 환원제 저장량의 변화 범위를 계산하게 된다. 여기서 SCR 전단 NOx량은 전술한 바와 같이 NOx 센서를 이용하여 측정할 수도 있고 엔진운전 상태에 따라 추정하는 방법이 있을 수 있다.
이때, 도 3에 도시된 바와 같이 환원제 저장량과 SCR 촉매의 온도는 반비례하는 관계를 갖으므로 SCR촉매의 온도를 고려하여야 한다.
한편, 상기 SCR 촉매에 저장되어야 할 환원제 저장량은 그 변화량이 기준이 되는 제1기준치 및 제2기준치의 범위 이내를 유지하도록 미리 설정된다. 이로써, 새로운 목표저장량의 범위가 정해질 수 있다.
상기 제1기준치는 NOx 환원율 차원에서 NOx를 환원시킬 수 있는 환원제인 NH3 저장량의 최소값이며 법규 규제에 따라 정해질 수 있다. 상기 제2기준치는 NH3 슬립(Slip)이 크게 발생하지 않는 차원에서 환원제 저장량의 최대값을 의미하며 이는 경제적인 측면과 환원제의 최적 사용면에서 의미를 갖는다.
그리고 제1기준치는 환원제 저장량의 하한선을 의미하고 제2기준치는 환원제 저장량의 상한선을 의미할 수 있다. 따라서 SCR 촉매에 저장되는 환원제는 제1기준치와 제2기준치 사이 구간에서 일정하게 유지되도록 제어될 수 있다. 이처럼 제1기준치와 제2기준치가 미리 설정된 상태에서 SCR 촉매의 환원제 저장량이 추정(S20)되면 초기에 설정된 저장량 증가단계(15)에 의해 환원제는 분사되어 SCR 촉매에 저장된다.
SCR 촉매에 의해 환원반응이 이루어져 NOx에 대한 정화가 이루어지면 다음으로 환원제의 저장량이 증가하는지 여부를 판단(S30)한다.
상기 저장량 증가 여부 판단 단계(S30)에서 환원제의 저장량이 증가한다고 판단되면, 저장량이 제2기준치(상한)에 도달했는지 여부를 판단하는 제2기준치 비교단계(S40)를 수행한다.
여기서, 환원제 저장량이 제2기준치보다 작으면 저장될 환원제의 증가값을 설정하는 저장량 증가값 설정단계(S41)를 수행하고, 이에 적절한 환원제 분사량을 계산(S43)하게 된다. 상기 단계들을 수행하는 동안 NOx 센서로부터 감지되는 NOx의 최소값과 평균값을 계산(S44)하며 이어서 NOx 환원제가 분사(S45)된다.
만약, 상기 제2기준치 비교 단계(S40)에서 환원제 저장량이 제2기준치보다 크다고 판단되면, 저장량을 감소시키는 저장량 감소 단계(S2)가 설정된다.
한편, 상기 저장량 증가 여부 판단 단계(S30)에서 환원제의 저장량이 증가하지 않는다고 판단되면 저장량이 제1기준치(하한)에 도달했는지 여부를 판단하는 제1기준치 비교단계(S50)를 수행한다.
여기서, 저장량이 제1기준치보다 크게 되면 저장량 감소값을 설정하는 저장 량 감소값 설정단계(S52)를 수행하고, 이에 적절한 환원제 분사량을 계산(S53)하게 된다. 상기 단계들을 수행하는 동안 NOx 센서로부터 감지되는 NOx의 최소값과 평균값을 계산(S54)하여 적절한 NOx 환원제를 분사(S55)한다.
즉, SCR 후단의 NOx량은 NOx 변환효율을 모니터링하고 환원제 저장량을 보정하는 등 선택적 촉매 환원 장치 내부에서 각종 진단을 할 수 있도록 해준다.
따라서 본 실시예의 제어방법은 상기와 같은 단계들을 통해 환원제 저장량을 제1기준치 또는 제2기준치에 도달할 수 있도록 환원제를 점진적으로 증가시키거나 감소시키는 것을 반복하게 되어, 환원제 저장량의 변화주기를 일정하게 유지시킬 수 있다.
다시 말해, 종래에는 <목표저장량>이 촉매의 온도와 열화 정도 등에 의해 결정되므로 이들 인자가 변화하지 않으면 <목표저장량>이 변하지 않았던 반면에 본 발명에서는 이들 인자가 변화하지 않더라도 <목표저장량>이 주기적으로 변화하게 된다, 또한, 부분적으로는 환원제 저장량을 일정하게 유지할 수도 있다.
도 3은 도 3은 환원제 저장량의 상한선과 하한선을 기준으로 저장량을 제어하는 방법을 보여주는 도면이다.
도 3에서 상단에 도시된 그래프와 바와 같이 환원제 저장량과 SCR 촉매의 온도는 반비례하는 관계를 갖는다. 예를 들어, 특정한 온도에서 환원제의 저장량이 ⓐ에 위치하면 환원제 저장량을 점점 감소하도록 분사량을 제어하여 환원제 저장량을 그래프 내부로 유지시키고, 저장량 ⓑ에 위치하면 환원제 저장량을 점점 증가시키도록 분사량을 제어하도록 저장량 증감단계가 수행된다.
즉, 환원제 저장량을 일정한 크기로 유지하기 위해 ⓑ의 지점에서부터 ⓐ지점에 이를 때까지는 분사량을 비교적 크게 유지하며, ⓐ지점에서 ⓑ 지점에 이를 때까지는 분사량을 작게 유지한다.
도 3의 중단에 도시된 그래프와 같이 NOx 제거율과 NH3 흡착량은 어느 정도 비례관계를 갖는다. 상기 그래프에서 ⓐ 지점에 있을 때는 저장량을 점차 감소시키고, ⓑ 지점에 있을 때는 저장량을 점차 증가시킨다. 즉, SCR 촉매에 NH3 흡착량이 많으면 저장량을 줄여 NOx 의 슬립량을 줄이고 NH3 흡착량이 적으면 저장량을 늘려 NOx 제거효율을 높인다.
도 3의 하단에 도시된 그래프는 NH3 분사량과 농도와의 관계에서 NH3 슬립, NOx 슬립 및 NOx 센서 측정값을 나타낸 것이다.
여기서 NOx 센서의 의해 NOx 량을 측정하여 판단한 결과 NOx 량에 비해 NH3 저장량이 많아 NH3 슬립량이 많아지는 지점(ⓐ)에서는 NH3 분사량을 점점 줄이도록 제어되고, NOx 슬립량이 많아지면(ⓑ) NH3 분사량을 점점 늘리게 된다.
도 4는 본 발명의 제어방법에 따른 환원제 저장량, NOx 슬립 및 NH3 슬립의 변화를 도시한 도면이다.
여기서 Steay Case1 과 Steay Case2는 SCR 촉매에 유입되는 NOx 의 량이 일정하게 유지되는 경우로서, Steay Case2는 Steay Case1에 비해 많은 NOx 량을 나타내는 구간이다. 그리고 Unsteay Case는 NOx 량이 시간에 따라 변동되는 경우를 의 미한다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제어방법은 NOx의 량이 일정할 때 뿐만 아니라 급격하게 변화하더라도, 점진적으로 NH3 분사량을 증감하도록 조절하기 때문에 NH3 저장량의 변화주기가 NOx 배출량에 상관없이 일정하게 되며, NOx 슬립 및 NH3 슬립 역시 NOx 배출량에 상관없이 일정해진다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 대한 흐름도이고, 도 6은 촉매의 열화를 진단하는 방법을 도시한 도면이다.
본 실시예에서는 전술한 제1 실시예와 다른 부분을 위주로 설명한다.
도 5에 도시된 바와 같이 환원제 저장량이 증가 되는지 여부를 판단하는 저장량 증가 여부 판단 단계(S30)에서 환원제의 저장량이 증가한다고 판단되면, 저장량이 제2기준치(상한)에 도달했는지 여부를 판단(S40)하는 것은 전술한 실시예와 같다.
그러나 저장량이 제2기준치보다 작지 않다고 판단되면, 저장량을 감소시키는 단계(S42)가 설정된 후 발생되는 NOx 최소값을 제3기준치와 비교(S60)하고, 이어서 NOx 평균값을 제4기준치와 비교(S70)하는 단계를 더 수행하여 촉매에 대한 열화 또는 정상을 판정하게 된다.
상기 제3기준치 및 제4기준치는 열화된 촉매로 미리 테스트하여 측정한 수치를 말하며 촉매의 열화를 판단하는 기준값이다. 즉, 제3기준치 및 제4기준치는 실험 또는 배출규제치에 따라 정해질 수 있다.
전술한 실시예와 같이 상기 저장량 증감단계(S41, S42)를 수행하는 동안 NOx 센서로 측정되는 상기 NOx 배출량의 최소값과 평균값을 계산하는 계산 단계(S44)가 수행되므로, 본 실시예에서는 상기 계산 단계의 계산 결과값과 미리 설정된 제3기준치를 비교하여 촉매의 열화를 진단하는 열화 진단단계(S60)를 수행할 수 있다.
상기 진단단계(S60)의 수행결과 NOx 최소값이 제3기준치를 초과했다고 판단되면 촉매 열화로 판정(S90)하고, NOx 최소값이 제3기준치 보다 작다고 판단되면 NOx 평균값이 제4기준치를 초과하는지 여부를 판단(S70)한다.
여기서 NOx 평균값이 제4기준치를 초과하면 촉매 열화로 판정(S90)하고, NOx 평균값이 제4기준치 보다 작으면 촉매 정상으로 판정(S80)한다.
한편, 환원제 저장량이 증가 되는지 여부를 판단하는 단계(S30)에서 환원제의 저장량이 증가하지 않는다고 판단되면, 저장량이 제1기준치(하한)에 도달했는지 여부를 판단(S50)하는 것은 전술한 실시예와 같다.
그러나 저장량이 제1기준치보다 크지 않다고 판단되면, 저장량을 증가시키는 단계(S51)가 설정된 후 상술한 방법처럼 발생되는 NOx 최소값을 제3기준치와 비교(S60)하고, 이어서 NOx 평균값을 제4기준치와 비교(S70)하는 단계를 더 수행하여 촉매에 대한 열화 또는 정상을 판정하게 된다.
도 6에 도시된 그래프에서 Fresh Catalyst는 정상 촉매를, Aged Catalyst는 열화된 촉매를 의미하며 각각 4개의 구간은 왼쪽에서부터, 정상 촉매에서 저장량이 증가하고 있는 구간, 정상 촉매에서 저장량이 감소하고 있는 구간, 열화된 촉매에서 저장량이 증가하고 있는 구간, 열화된 촉매에서 저장량이 감소하고 있는 구간을 뜻한다.
도 6의 상단 그래프와 같이 정상 촉매의 경우가 열화된 촉매 보다 NOx 슬립의 최소값이 작고, 도 6의 중단 그래프와 같이 정상 촉매의 경우가 열화된 촉매 보다 NH3 슬립의 최대값이 작은 것을 알 수 있다.
그리고 도 6의 하단 그래프와 같이 환원제 저장량이 증가 또는 감소하는 동안에 NOx 센서의 의해 측정된 값의 최소값(또는 평균값)이 정상촉매의 경우가 열화된 촉매보다 작은 것을 알 수 있다.
따라서, SCR 촉매 후단에 설치된 NOx 센서를 이용하여 상술한 방법처럼 촉매의 열화 및 정상상태를 진단할 수 있으므로 촉매의 상태 및 교환시기를 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 대한 흐름도이다.
본 실시예에서는 전술한 제1 실시예 및 제2실시예와 다른 부분을 위주로 설명한다.
도 7에 도시된 바와 같이 환원제 저장량이 증가 되는지 여부를 판단하는 단계(S30)에서 환원제의 저장량이 증가한다고 판단되면, 저장량이 제2기준치(상한)에 도달했는지 여부를 판단(S40)하는 것은 전술한 실시예들과 같다.
그러나 저장량이 제2기준치보다 작지 않다고 판단되면, 저장량에 대해 상한선을 유지할 필요가 있는지 여부를 먼저 판단(S42)한다. 이때 상한선을 유지할 필 요가 없으면 바로 환원제 분사량을 계산(S43)하여 NOx 최소값/평균값을 계산(S44)하고 NOx 환원제를 분사(S45)는 단계를 수행한다.
반면에 상한선을 유지할 필요가 있다고 판단되면 저장량을 감소시키는 단계(S47)가 설정되고, 그 후 발생되는 NOx 최소값을 제3기준치와 비교(S60)하는 단계를 더 수행하여 촉매에 대한 열화 또는 정상을 판정하게 된다.
여기서 상기 제3기준치 역시 열화된 촉매로 미리 테스트하여 측정한 수치를 말하며 촉매의 열화를 판단하는 기준값이다. 즉, 제3기준치는 실험 또는 배출규제치에 따라 정해질 수 있다.
한편, 환원제 저장량이 증가 되는지 여부를 판단하는 단계(S30)에서 환원제의 저장량이 증가하지 않는다고 판단되면, 저장량이 제1기준치(하한)에 도달했는지 여부를 판단(S50)하는 것은 전술한 실시예와 같다.
그러나 저장량이 제1기준치보다 크지 않다고 판단되면, 저장량에 대해 하한선을 유지할 필요가 있는지 여부를 먼저 판단(S52)한다. 이때 하한선을 유지할 필요가 없으면 바로 환원제 분사량을 계산(S53)하여 NOx 최소값/평균값을 계산(S54)하고 NOx 환원제를 분사(S55)하는 단계를 수행한다.
반면에 상한선을 유지할 필요가 있다고 판단되면 저장량을 증가시키는 단계(S57)가 설정되고, 그 후 발생되는 NOx 최소값을 제3기준치와 비교(S60)하는 단계를 더 수행하여 촉매에 대한 열화 또는 정상을 판정하게 된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질 적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
도 1은 환원제 투여량과 NH3 및 NOx 측정 농도와의 관계를 도시한 그래프.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 대한 흐름도.
도 3은 환원제 저장량의 상한선과 하한선을 기준으로 저장량을 제어하는 방법을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 제어방법에 따른 환원제 저장량, NOx 슬립 및 NH3 슬립의 변화를 도시한 도면.
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 대한 흐름도.
도 6은 촉매의 열화를 진단하는 방법을 도시한 도면.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 선택적 촉매 환원장치의 제어방법에 대한 흐름도.
<도면의 주요부분에 대한 참조부호의 설명>
S10 : NOx 측정단계 S20 : 환원제 저장량 추정단계
S30 : 저장량 증가 여부 판단 단계 S40 : 제1기준치 비교 단계
S50 : 제2기준치 비교 단계

Claims (15)

  1. NOx 센서를 이용하여 SCR 촉매 후단의 NOx 배출량과 SCR촉매의 온도를 측정하여 상기 SCR 촉매에 저장되는 환원제 저장량을 추정하는 환원제 저장량 추정단계;
    상기 환원제 저장량이 제1기준치와 제2기준치 사이 구간에서 변화하도록 환원제 분사량을 점진적으로 증가시키거나 점진적으로 감소시키는 저장량 증감단계;를 포함하고,
    상기 저장량 증감단계 이후에,
    NOx 센서로 측정되는 상기 NOx 배출량의 최소값과 평균값을 계산하는 계산 단계; 및
    상기 계산 단계의 계산 결과값과 미리 설정된 제3기준치를 비교하여 촉매의 열화를 진단하는 열화 진단단계;를 더 포함하며,
    상기 NOx 배출량의 최소값이 제3기준치보다 크면 촉매 열화로 판정하고, 크지 않으면 NOx 배출량의 평균값을 제4기준치와 비교하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 저장량 증감단계는,
    상기 NOx 측정단계의 측정 결과 엔진 상태가 NOx 배출이 증가하는 방향으로 급변하면 상기 제2기준치의 저장량을 유지하도록 분사량을 증가시키고, 상기 NOx 배출이 감소하는 방향으로 급변하면 상기 제1기준치의 저장량을 유지하도록 분사량을 감소시키는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 저장량 증감단계는,
    상기 환원제 저장량이 증가될 경우 상기 환원제 저장량이 제2기준치에 도달했는지 여부를 판단하여 환원제 저장량의 증가값을 설정하는 저장량 증가값 설정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 저장량 증감단계는,
    상기 환원제 저장량이 감소될 경우 상기 환원제 저장량이 제1기준치에 도달했는지 여부를 판단하여 환원제 저장량의 감소값을 설정하는 저장량 감소값 설정단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 저장량 증가값 또는 감소값 설정단계에 따라 환원제 분사량을 계산하는 분사량 계산단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 저장량 증가값 설정단계 이전에는 저장량에 대한 상한선 유지가 필요한지 여부를 판정하는 상한선 유지 여부 판단 단계가 수행되며, 상한선 유지가 필요하지 않으면 상기 분사량 계산 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 저장량 감소값 설정단계 이전에는 저장량에 대한 하한선 유지가 필요한 지 여부를 판정하는 하한선 유지 여부 판단 단계가 수행되며, 하한선 유지가 필요하지 않으면 상기 분사량 계산 단계를 수행하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1기준치는 NOx 환원율 차원에서 고려한 환원제 저장량의 최소값이며 법규 규제에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2기준치는 암모니아 슬립이 규정범위 이상 발생하지 않도록 하는 환원제 저장량의 최대값을 의미하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제11항에 있어서,
    상기 NOx 배출량의 평균값이 제4기준치 보다 크면 촉매의 열화로 판정하고, NOx 배출량의 평균값이 제4기준치보다 작으면 촉매를 정상으로 판정하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제3기준치 및 제4기준치는 열화된 촉매로 테스트하여 측정한 수치 및 NOx 배출량 규제치에 따라 정해지는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원 장치의 제어방법.
  14. SCR 촉매에 환원제를 저장하는 저장량 증가 단계;
    NOx 센서를 이용하여 상기 SCR 촉매 후단의 NOx 배출량을 측정하는 NOx 측정단계;
    상기 NOx 측정단계와 SCR 촉매의 온도를 측정하여 상기 SCR 촉매에 저장되는 환원제 저장량을 추정하는 환원제 저장량 추정단계; 및
    상기 환원제 저장량 추정단계에서 추정된 환원제 저장량을 제1기준치와 제2기준치 사이에서 유지하도록 환원제 분사량을 점진적으로 증가시키거나 점진적으로 감소시켜 환원제 저장량의 변동주기를 일정하게 유지시키는 저장량 증감단계;를 포함하며,
    상기 저장량 증감단계 이후에,
    NOx 센서로 측정되는 상기 NOx 배출량의 최소값과 평균값을 계산하는 계산 단계; 및
    상기 계산 단계의 계산 결과값과 미리 설정된 제3기준치를 비교하여 촉매의 열화를 진단하는 열화 진단단계;를 더 포함하며,
    상기 NOx 배출량의 최소값이 제3기준치보다 크면 촉매 열화로 판정하고, 크지 않으면 NOx 배출량의 평균값을 제4기준치와 비교하는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 NOx 측정단계의 측정 결과 엔진 상태가 NOx 배출이 증가하는 방향으로 급변하면 상기 제2기준치의 저장량을 유지하도록 상기 저장량 증감단계가 수행되고, 상기 NOx 배출이 감소하는 방향으로 급변하면 상기 제1기준치의 저장량을 유지하도록 하는 상기 저장량 증감단계가 수행되는 것을 특징으로 하는 선택적 촉매 환원장치의 제어방법.
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