KR101145621B1 - Ｓｃｒ촉매의 암모니아 흡장량 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤 차량에 장착되는 SCR촉매의 축(길이) 방향 온도차이를 고려하여 암모니아의 흡장량을 제어하는 것으로,
SCR촉매 전/후단의 센서로부터 제반 정보를 수집하는 과정, SCR촉매 전/후단 온도에 따라 SCR촉매의 내부를 온도차가 유지되는 N개의 블록으로 구분하는 과정, 구분된 각 블록에 축(길이) 방향 반응모델 모듈을 적용하여 블록별 필요 암모니아 양을 계산하는 과정, 블록별로 계산되는 필요 암모니아 양을 합산하여 SCR촉매 전체의 필요 암모니아 양을 계산하여 흡장량을 제어하는 과정을 포함한다.
Figure R1020090084179
SCR촉매, 축(길이) 방향 온도, 암모니아 흡장량, 블록 구분

Description

ＳＣＲ촉매의 암모니아 흡장량 제어장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR CONTROL AMMONIA OCCLUSION AMOUNT OF SELECTIVE CATALYTIC REDUCTION SYSTEM}
본 발명은 디젤 차량에 장착되는 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매에 관한 것으로, 보다 상세하게는 SCR촉매의 축(길이) 방향 온도차이를 고려하여 암모니아의 흡장량을 제어하는 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
디젤 엔진이 적용되는 차량은 북미디젤 Tier2/BIN5 규제나 유로 6의 배기가스 규제에 따라 배기가스에 포함된 NOx, CO, THC, 입자상 물질(Particulate Matters)등의 유해물질을 제거시키기 위한 다양한 형태의 후처리 장치가 장착된다.
후처리 장치로는 엔진과 근접하게 배치되어 NMHC(Non-Methane HydroCarbons) 변환기능을 실행하는 DOC(Diesel Oxidation Catalyst), 입자상 물질(Particulate Matters :PM)을 포집하는 DPF(Diesel Particulate Filter), 환원작용을 통해 NOx를 정화하는 SCR촉매가 포함된다.
상기 SCR촉매는 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아(NH3)를 사용하며, NOx에 대한 선택도가 매우 우수할 뿐만 아니라 산소가 존재하는 경우에도 NOx와 암 모니아 사이의 반응이 촉진되는 장점이 있다.
SCR촉매는 NOx정화 성능을 일정수준으로 이상으로 유지하기 위해 SCR촉매의 전단부에 배치되는 도징모듈(Dosing Module)로 요소(Urea)를 분사하고, 분사된 요소의 증발 및 분해에 따라 생성되는 암모니아를 취득하여 SCR촉매의 내부에 암모니아 흡장하며, 암모니아 흡장량은 SCR촉매 온도에 반비례한다.
종래의 차량에서는 SCR촉매 내부의 온도에 차이가 없다고 가정하고, SCR촉매의 전/후단 온도를 검출한 다음 평균하여 SCR촉매의 온도로 추출하며, 설정된 맵에 온도 값을 적용하여 SCR촉매의 부피에 따른 암모니아 흡장 가능량을 예측하여 목표 암모니아 흡장량을 결정하였다.
그리고, SCR촉매의 목표 암모니아 흡장량과 현재의 암모니아 흡장량의 차이에 따라 필요 암모니아 양을 결정하였다.
SCR촉매에서 암모니아 흡착량은 SCR촉매의 온도가 낮으면 흡착이 느리게 진행되고 흡착 가능량은 크기 때문에 전후단 흡착량의 차이가 크게 되며, 온도가 높으면 흡착이 빠르게 진행되고 흡착 가능량은 작기 때문에 전후단 흡착량의 차이는 작은 형태로 진행된다.
이와 같이 SCR촉매에 온도차이가 존재하면 축(길이) 방향으로 암모니아 흡장 가능량에 차이가 존재하므로 일정수준의 안전율을 고려하여 일정한 양으로 분사된 암모니아는 SCR촉매의 축(길이) 방향으로 고루 분포되지 못하여 NOx 정화율을 저하시킨다.
예를 들어, SCR촉매의 전단에서는 NOx의 정화가 안정되게 이루어지나 후단에서는 NOx의 정화 손실이 발생하여 NOx 슬립이 발생되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 발명한 것으로, 그 목적은 SCR촉매의 축(길이) 방향 온도차이를 고려한 암모니아 흡장량 제어를 실행하여 SCR촉매 내의 균일한 암모니아 분포를 제공함으로써 NOx 정화율을 향상시키고, 보다 정확한 요소의 분사량으로 암모니아 슬립이 발생되지 않도록 하여 에미션 안정화를 제공하는 것이다.
상기한 목적을 실현하기 위한 본 발명의 특징에 따른 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어장치는,
흡장된 암모니아와 NOx를 반응시켜 NOx를 정화하는 SCR촉매;
SCR촉매 전후단의 온도를 검출하는 제1,2온도센서;
SCR촉매에 유입되는 NOx양을 검출하는 NOx센서;
상기 SCR촉매의 전/후단 온도에 따라 SCR촉매의 내부를 온도차이가 유지되는 N개의 블록으로 구분하고, 각 블록에 축(길이) 방향 반응모델 모듈을 적용하여 블록별 필요 암모니아 양을 계산하며, 블록별로 계산된 필요 암모니아 양의 합산으로 SCR촉매 전체의 필요 암모니아 양을 계산하여 흡장량을 제어하는 제어부를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어방법은,
SCR촉매 전/후단의 센서로부터 제반 정보를 수집하는 과정;
SCR촉매 전/후단 온도에 따라 SCR촉매의 내부를 온도차가 유지되는 N개의 블 록으로 구분하는 과정;
상기 구분된 각 블록에 축(길이) 방향 반응모델 모듈을 적용하여 블록별 필요 암모니아 양을 계산하는 과정;
블록별로 계산되는 필요 암모니아 양을 합산하여 SCR촉매 전체의 필요 암모니아 양을 계산하여 흡장량을 제어하는 과정을 포함한다.
전술한 구성에 의하여 본 발명은 SCR촉매 내에 균일한 암모니아의 분포를 제공하여 NOx 정화율을 극대화하고 암모니아 슬립을 배제시켜 에미션을 안정화한다.
또한, 배기 조건의 빠른 변화에 대하여 NOx 정화의 응답성이 향성되고, SCR촉매상에서 암모니아 소비량의 예측을 높여 암모니아 생성을 위한 정확한 우레아 수용액의 분사 제어가 제공되며, 암모니아의 과다 혹은 과소 생성이 예방되어 에미션을 안정되게 유지한다.
아래에서는 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 여러가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어장치를 개 략적으로 도시한 도면이다.
본 발명은 동력원인 엔진(2), 엔진(2)에서 연소된 배기가스를 배출시키는 배기 파이프(6), SCR촉매(10), 제1NOx센서(12), 제2NOx센서(14), 제1온도센서(16), 제2온도센서(18), 도징모듈(20), 믹서(22), 요소탱크(30), 펌프(32), 요소공급라인(34), 압력센서(36) 및 제어부(40)를 포함한다.
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 요소로부터 취득되어 흡장된 암모니아와 NOx를 환원반응시켜 NOx를 정화한다.
제1NOx센서(12)는 도징모듈(20)의 전단에 배치되어 SCR촉매(10)에 유입되는 배기가스에 포함된 NOx양을 검출하여 그 정보를 제어부(40)에 제공한다.
제2NOx센서(14)는 SCR촉매(10)의 후단(출구측)에 배치되어 SCR촉매(10)를 통해 정화된 배기가스에 포함된 NOx양을 검출하여 그 정보를 제어부(40)에 제공한다.
제1온도센서(16)는 SCR촉매(10)의 전단에 배치되어 SCR촉매(10)의 전단온도를 검출하여 그 정보를 제어부(40)에 제공한다.
제2온도센서(18)는 SCR촉매(10)의 후단에 배치되어 SCR촉매(10)의 후단온도를 검출하여 그 정보를 제어부(40)에 제공한다.
도징모듈(20)는 제어부(40)의 제어에 따라 인젝터가 작동되어 SCR촉매(10)에서 흡장에 필요한 암모니아를 생성시키기 위한 요소량을 분사한다.
믹서(22)는 도징모듈(20)과 SCR촉매(10)의 사이에 배치되어 도징모듈(20)을 통해 분사되는 액상요소 입자를 충돌시켜 입자를 쪼개는 역할을 하며 이를 통해 배기가스와 분사된 요소입자가 골고루 섞여 SCR촉매(10) 입구단에서의 균일성을 좋게 하여 배기가스내의 NOx와 요소로부터 취득된 암모니아를 최적으로 혼합시킨다.
요소탱크(30)는 요소액이 수용되고, 내부에 장착되는 펌프(32)의 구동으로 요소공급라인(34)에 설정된 균등한 압력을 형성시켜 도징모듈(20)이 작동되는 경우 SCR촉매(10)의 전단에 액상요소의 고압분사가 제공되도록 한다.
압력센서(36)는 요소공급라인(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.
제어부(40)는 제1,2온도센서(16,18)를 통해 검출되는 SCR촉매(10)의 전/후단온도에 축(길이) 방향 온도모델을 적용하여 SCR촉매(10)의 내부를 서로 다른 온도를 갖는 N개(예를 들어 5 ~ 10개)의 블록으로 구분하고, 축(길이) 방향 반응모델 모듈을 통해 블록별로 필요 암모니아 양을 계산한다.
상기 블록별 필요 암모니아 양의 계산은 각 블록별 온도(T.SCR)를 부피당 암모니아 흡장 가능량 맵에 적용하고, 여기에 구분된 블록별 실질적인 부피를 적용하여 온도 차이에 따른 각 블록별 암모니아 흡장 가능량을 계산한다.
또한, SCR촉매(10)에 입력되는 암모니아 양(NH3.In)과 NOx양(NOx.In) 및 NOx정화율로부터 실제 암모니아 흡장량을 계산하고, 상기 암모니아 흡장 가능량과 실제 암모니아 흡장량의 차이로부터 필요 암모니아 양을 계산한다.
그리고, 각 블록별로 계산되는 필요 암모니아 양을 합산하여 SCR촉매(10) 전체에서 흡장에 필요한 필요 암모니아 양을 계산한다.
상기와 같이 SCR촉매(10)에서 흡장에 필요한 필요 암모니아 양이 계산되면 도징모듈(20)을 통해 요소 분사량을 제어한다.
전술한 바와 같은 기능이 포함되는 본 발명에서 SCR촉매의 암모니아 흡장량을 제어하는 동작은 다음과 같다.
본 발명이 적용되는 디젤 차량의 엔진이 시동 온 되면 제어부(40)는 SCR촉매(10)의 전후단에 설치되는 다양한 센서를 통해 암모니아 흡장량 제어에 필요한 제반 정보를 수집한다(S110).
예를 들어, 제1온도센서(16)로부터 SCR촉매(10)의 전단 온도(T.In)를 검출하고, 제2온도센서(18)로부터 SCR촉매(10)의 후단 온도(T.Out)를 검출하며, 도징모듈(20)에서 분사되는 요소 수용액으로 생성되는 암모니아 분사량(NH3 분사량)을 추출하고, 제1NOx센서(12)로부터 SCR촉매(10)에 유입되는 NOx양(NOx.In)을 검출한다.
이후, 상기 제1,2온도센서(16,18)로부터 검출되는 SCR촉매(10) 전/후단의 온도에 설정된 축(길이) 방향 온도모델을 적용하여(S120) SCR촉매(10)의 내부에서 온도차이를 갖는 N개의 블록(T.1 ~ T.5)으로 구분한다(S130).
상기와 같이 SCR촉매(10)가 온도모델을 통해 N개의 블록으로 구분되면 각각의 블록에 축(길이) 방향 반응모델 모듈을 적용하여(S140) 블록별로 필요 암모니아 양을 계산한다(S150).
상기 블록별 필요 암모니아 양의 계산은 도 3에 도시된 바와 같이, 각 블록 별 온도(T.SCR)를 부피당 암모니아 흡장 가능량 맵에 적용하여 부피당 암모니아 흡장 가능량을 추출하고(S151), 여기에 구분된 블록별 실질적인 부피를 적용하여 온도 차이에 따른 각 블록별 암모니아 흡장 가능량을 계산한다(S152).
또한, SCR촉매(10)에 입력되는 암모니아 양(NH3.In)과 NOx양(NOx.In) 및 NOx정화율로부터 실제 암모니아 흡장량을 계산하고(S153), 상기 S152에서 계산된 암모니아 흡장 가능량과 상기 S153에서 계산된 실제 암모니아 흡장량의 차이로부터 필요 암모니아 양을 계산한다.
상기와 같이, SCR촉매(10)를 온도의 차이에 따라 다수 개로 분리한 각 블록별로 필요 암모니아 양이 계산되면 각 블록에서 계산된 필요 암모니아 양을 합산하여 SCR촉매(10) 전체에서 요구되는 필요 암모니아 양을 계산한다(S160).
상기와 같이 SCR촉매(10) 전체에서 요구되는 필요 암모니아 양이 계산되면 도징모듈(20)을 통해 요소 분사량을 제어함으로써, 도 4에 도시된 바와 같이 SCR촉매(10)의 축(길이) 방향으로 암모니아 흡장량이 균일한 분포로 유지되어 NOx의 정화율을 높여 에미션을 안정화시킨다.
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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 SCR 촉매의 암모니아 흡장량 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 SCR 촉매의 암모니아 흡장량 제어절차를 도시한 흐름도이다.
도 3은 도 2에서 축(길이) 방향 반응모델 모듈의 세부 절차를 도시한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어결과에 도시한 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
2 : 엔진 6 : 배기 파이프
10 : SCR촉매 12 : 제1NOx센서
14 : 제2NOx센서 16 : 제1온도센서
18 : 제2온도센서 20 : 도징모듈
22 : 믹서 30 : 요소탱크
40 : 제어부

Claims (7)

  1. 흡장된 암모니아와 NOx를 반응시켜 NOx를 정화하는 SCR촉매와 SCR촉매 전,후단의 온도를 검출하는 제1,2온도센서 및 SCR촉매에 유입되는 NOx양을 검출하는 NOx센서를 포함하는 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어장치에 있어서,
    상기 제1,2온도센서로 검출되는 SCR촉매의 전,후단 온도에 따라 SCR촉매의 내부를 서로 다른 온도를 갖는 N개의 블록으로 구분하고, 블록별 온도를 설정된 맵에 적용하여 블록별 실제 부피에 따른 블록별 암모니아 흡장 가능량을 계산하고, SCR촉매에 입력되는 암모니아 양과 NOx양 및 NOx정화율로부터 실제 암모니아 흡장량을 계산하고, 상기 계산된 블록별 암모니아 흡장 가능량과 실제 암모니아 흡장량의 차이로부터 블록별로 필요 암모니아 양을 계산하며, 블록별로 계산되는 필요 암모니아 양을 합산하여 SCR촉매 전체에서 필요한 암모니아 양을 계산하여 흡장량을 제어하는 제어부;
    를 포함하는 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. SCR촉매의 전,후단에 설치된 센서로부터 SCR촉매에 입력되는 암모니아 양, NOx양, SCR촉매 전,후단의 온도를 수집하는 제1과정;
    SCR촉매의 전,후단 온도에 따라 SCR촉매의 내부를 온도차가 유지되는 N개의 블록으로 구분하는 제2과정;
    블록별 온도를 설정된 맵에 적용하여 블록별 실제 부피에 따른 블록별 암모니아 흡장 가능량을 계산하는 제3과정;
    SCR촉매에 입력되는 암모니아 양과 NOx양 및 NOx정화율로부터 실제 암모니아 흡장량을 계산하는 제4과정;
    상기 제3과정에서 계산된 블록별 암모니아 흡장 가능량과 상기 제4과정에서 계산된 실제 암모니아 흡장량의 차이로부터 블록별로 필요한 암모니아 양을 계산하는 제5과정;
    상기 제5과정에서 계산된 블록별로 필요한 암모니아 양을 합산하여 SCR촉매 전체에서 필요한 암모니아 양을 계산하여 흡장량을 제어하는 제6과정;
    을 포함하는 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 SCR촉매의 블록 구분은,
    SCR촉매 전,후단 온도에 설정된 축(길이) 방향 온도모델을 적용하여 온도차가 유지되는 N개의 블록으로 구분하는 것을 특징으로 하는 SCR촉매의 암모니아 흡장량 제어방법.
  6. 삭제
  7. 삭제
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