KR101294052B1 - 배기가스 후처리 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템은, 배기가스에 포함된 유해물질을 제거하고, 산화반응에 의해서 배기가스의 온도를 상승시키는 촉매, 상기 촉매의 후단에 배치되어 입자상물질을 여과하는 디젤매연필터, 상기 촉매로 유입되는 배기가스의 온도와 상기 촉매에서 배출되는 배기가스의 온도를 감지하는 제1온도센서와 제2온도센서, 및 연료의 추가분사를 통해서 상기 디젤매연필터에 포집된 입자상물질 또는 황성분을 제거하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 주행거리에 따른 상기 촉매의 열화도를 설정된 데이터로부터 선택하고, 상기 제1,2온도센서로부터 상기 촉매의 전단온도(T1)와 후단온도(T3)를 감지하되, 상기 디젤매연필터(DPF)가 재생되는 동안에, 상기 열화도, 및 상기 전후단온도(T1, T3)를 기초로 상기 촉매의 내부온도(T2)를 선택하여, 상기 내부온도가 설정된 제한수치(Tmax)를 초과하지 않도록 후분사를 제어한다.
따라서, 상기 디젤매연필터가 재생되는 동안에서 후분사로 인하여 유발되어 상기 LNT가 고온으로 파손되거나 촉매가 열화되어 그 정화율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.

Description

배기가스 후처리 시스템{EXHAUST GAS POST PROCESSING SYSTEM}
본 발명은 배기가스에 포함된 유해물질을 무해한 물질로 전환하고 입자상 물질을 포집하며, 설정된 조건에서 포집된 입자상물질을 태워 제거하는 배기가스 후처리 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 배기가스를 정화하기 위해서, LNT(Lean NOx trap)와 디젤매연필터(Diesel particulate filter)가 설치되며, 상기 LNT는 디젤엔진에서 배출되는 일산화탄소와 탄화수소를 제거하는 디젤산화촉매(DOC)기능과 질소산화물을 흡장하고 환원하여 제거하는 기능을 수행한다.
아울러, 상기 디젤매연필터는 배기가스에 포함된 입자상물질을 포집하고, 포집된 입자상물질이 설정량을 초과하면, 연료가 후분사되고, 상기 LNT에서 배기가스의 온도가 높아지고, 이 열을 이용하여 상기 디젤매연필터는 포집된 입자상물질을 태워 제거한다.
상기 디젤매연필터가 재생될 때, 상기 LNT의 후단부 배기가스의 온도를 이용하여 재생온도를 제어하게 되는데, 상기 LNT의 온도보다 상기 LNT의 내부온도가 더 높아질 경우, 상기 LNT가 과열되어 파손되거나 촉매물질이 열화되는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 디젤매연필터를 재생하기 위해서 후분사가 실시되는 동안에 촉매(LNT)의 내부온도가 과도하게 높아지는 것을 방지하여 그 내구성을 향상시키고 정화기능이 유지되도록 하는 배기가스 후처리 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템은, 배기가스에 포함된 유해물질을 제거하고, 산화반응에 의해서 배기가스의 온도를 상승시키는 촉매, 상기 촉매의 후단에 배치되어 입자상물질을 여과하는 디젤매연필터, 상기 촉매로 유입되는 배기가스의 온도와 상기 촉매에서 배출되는 배기가스의 온도를 감지하는 제1온도센서와 제2온도센서, 및 연료의 추가분사를 통해서 상기 디젤매연필터에 포집된 입자상물질 또는 황성분을 제거하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는, 주행거리에 따른 상기 촉매의 열화도를 설정된 데이터로부터 선택하고, 상기 제1,2온도센서로부터 상기 촉매의 전단온도(T1)와 후단온도(T3)를 감지하되, 상기 디젤매연필터(DPF)가 재생되는 동안에, 상기 열화도, 및 상기 전후단온도(T1, T3)를 기초로 상기 촉매의 내부온도(T2)를 선택하여, 상기 내부온도가 설정된 제한수치(Tmax)를 초과하지 않도록 후분사를 제어한다.
상기 제어부는 상기 디젤매연필터를 재생하기 위해서 후분사를 실시하고, 상기 촉매의 내부온도(T2)가 설정된 제한수치(Tmax)를 초과하는 것으로 판단되면, 후분사를 중지한다.
상기 제어부는, 상기 디젤매연필터를 재생하기 위한 상기 촉매의 후단부 목표온도(Ttarget)와 상기 촉매의 후단부 최소온도(Tmin) 사이에 상기 촉매의 후단부 온도(T3)가 포함되도록 후분사양을 제어한다.
상기 제어부는, 상기 촉매의 전단부온도(T1), 상기 촉매의 선택된 내부최고온도(T2), 및 열화도를 기초로, 상기 촉매의 후단부온도(T3')를 선택하고, 상기 내부최고온도(T2)에서 상기 촉매의 후단부온도(T3')를 뺀값(Δt)과 상기 촉매의 감지된 후단부온도(T3)의 합이 상기 제한수치(Tmax)가 초과하면, 후분사를 중지하여 재생을 중단한다.
앞에서 기재된 바와 같이 본 발명에 따른 배기가스 후처리 시스템은, 상기 디젤매연필터가 재생되는 동안에서 후분사로 인하여 유발되어 상기 LNT가 고온으로 파손되거나 촉매가 열화되어 그 정화율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 촉매로써 LNT(Lean NOx trap)의 온도분포를 보여주는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 촉매의 특징을 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 촉매의 열화도에 따른 특징을 보여주는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 촉매의 온도분포와 설정된 온도수치들을 보여주는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템을 제어하기 위한 플로우차트이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 1을 참조하면, 배기가스 후처리 시스템은 엔진(100), 배기라인(110), LNT(120), 디젤매연필터(130), 제1온도센서(TS1), 및 제2온도센서(TS2)를 포함한다.
상기 배기라인(110)에는 상기 제1온도센서(TS1), 상기 LNT(120), 상기 제2온도센서(TS2), 및 상기 디젤매연필터(130)(DPF: diesel particulate filter)가 순차적으로 배치된다.
상기 배기라인(110)을 통해서 상기 엔진(100)에서 발생되는 배기가스가 배출되고, 상기 제1온도센서(TS1)는 상기 LNT(120)로 유입되는 배기가스의 온도를 감지하여 상기 제어부(140)에 그 감지신호를 인가한다.
또한, 상기 제2온도센서(TS2)는 상기 LNT(120)에서 배출되어 상기 디젤매연필터(130)로 유입되는 배기가스의 온도를 감지하여 상기 제어부(140)에 그 감지신호를 인가한다.
상기 LNT(120)는 배기가스에 포함된 탄화수소와 일산화탄소를 산화/환원하여 무해한 물질로 전환하고, 질소산화물을 흡장 및 환원하여 제거하는 기능을 수행하며, 촉매에 의한 발열반응에 의해서 배기가스의 온도를 상승시킨다.
아울러, 상기 디젤매연필터(130)는 배기가스에 포함된 매연(soot)과 같은 입자상물질을 포집하고, 상기 제어부(140)는 상기 엔진에서 후분사가 수행되도록 하고, 그 후분사에 의해서 배기가스의 온도가 높아진 조건에서 포집된 입자상물질을 태워 제거한다.
본 발명의 실시예에서는, 상기 제어부(140)는 상기 제1온도센서(TS1)와 상기 제2온도센서(TS2)에 의해서 상기 LNT(120)의 전후단 온도를 감지하고, 주행거리에 따른 상기 LNT(120)의 열화도를 선택하며, 상기 열화도와 상기 LNT(120)의 전후단온도를 기초로, 상기 LNT(120)의 내부온도를 설정된 맵데이터로부터 선택한다.
특히, 상기 제어부(140)는 상기 디젤매연필터(130)가 재생되는 동안에, 상기 디젤매연필터(130)를 재생하기 위해서 필요한 상기 LNT(120) 후단의 온도를 설정된 온도 범위로 유지하되, 상기 LNT(120)의 내부최고온도가 설정된 최고치를 초과하면, 상기 디젤매연필터(130)를 재생하기 위한 후분사를 중지한다.
따라서, 상기 디젤매연필터(130)가 재생되는 동안에서 후분사로 인하여 유발되어 상기 LNT(120)가 고온으로 파손되거나 상기 LNT(120)의 촉매가 열화되어 그 정화율이 저하되는 것을 미연에 방지할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 촉매로써 LNT(Lean NOx trap)의 온도분포를 보여주는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 가로축은 상기 LNT(120)의 길이방향 위치를 나타내고, 세로축은 온도를 나타낸다. 도시한 바와 같이, 상기 LNT(120)의 전단온도가 섭씨300도, 섭씨350도, 및 섭씨 400도인 경우의 온도분포를 나타낸다.
상기 LNT(120)의 전단부 온도가 가장 낮은 섭씨 300도인 경우에, 상기 LNT(120)의 내부최고온도는 가장 높은 수치를 기록하고, 상기 LNT(120)의 전단부 온도가 가장 높은 섭씨 400도인 경우에, 상기 LNT(120)의 내부최고온도는 가장 낮은 수치를 기록한다.
아울러, 상기 LNT(120)의 후단온도보다 상기 LNT(120)의 내부최고온도가 더 높게 분포된다. 따라서, 상기 LNT(120)의 후단부 온도를 제어하여 상기 디젤매연필터(130)의 재생을 콘트롤 하는 경우, 상기 LNT(120)의 내부온도가 과도하게 과열될 수 있다.
그러나, 본 발명의 실시예에서는 상기 LNT(120)의 내부온도가 최고치를 넘지 않도록 후분사를 제어함으로써, 상기 LNT(120)가 열화되거나 촉매의 성능이 저하되는 것을 미연에 방지한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 촉매의 특징을 보여주는 그래프이다.
도 3을 참조하면, 가로축은 상기 LNT(120)의 전후단 온도차이를 나타내고, 세로축은 상기 LNT(120)로 유입되는 탄화수소의 농도를 나타낸다. 아울러, 상기 LNT(120)가 열화되지 않은 프레쉬(fresh)한 경우와 열화된(Aged) 경우를 보여준다.
도시한 바와 같이, 상기 LNT(120)로 유입되는 탄화수소의 농도가 일정할 경우에, 열화되지 않은 LNT와 열화된 LNT의 전후단 온도차이가 다르다.
즉, 열화되지 않은 LNT는 전후단 온도차이가 크고, 열화된 LNT는 전후단 온도차이가 작다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 촉매의 열화도에 따른 특징을 보여주는 그래프이다.
도 4를 참조하면, 가로축은 LNT의 길이방향 위치를 나타내고, 세로축은 온도를 나타낸다. 상기 LNT(120)의 열화도에 따라서 그 내부온도가 분포되는데, 이 데이터는 미리 설정된 데이터로 메모리에 저장된 값이다.
운전조건에 따른 상기 LNT(120)의 전후단온도와 내부온도에 대한 실험데이터가 맵으로 저장되고, 도 4에 도시한 바와 같이, 상기 제어부(140)는 상기 LNT(120)의 전후단온도와 상기 맵데이터를 기초로 상기 LNT(120)의 내부최고온도를 선택한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템에서 촉매의 온도분포와 설정된 온도수치들을 보여주는 그래프이다.
도 5를 참조하면, T1은 상기 LNT(120)의 전단부 온도를 나타내고, T2는 상기 LNT(120)의 내부최고온도를 나타내고, T3는 상기 LNT(120)의 후단부 온도를 나타내고, Ttarget은 상기 디젤매연필터(130)를 재생하기 위한 상기 LNT(120)의 후단부 목표온도를 나타내고, Tmin은 상기 디젤매연필터(130)를 재생하기 위한 상기 LNT(120)의 후단부 최소온도를 나타낸다.
후술되는 T3'은 상기 T2(T1, T2, 및 촉매의 열화도에 의해서 선택된 값)와 T1에 의해서 선택된 값으로, T3(감지된 온도)와는 다르다.
상기 제어부(140)는 상기 T3가 상기 Ttarget과 상기 Tmin 사이에 포함되도록 후분사의 양을 제어하고, 상기 T2가 상기 Tmax를 넘지 않도록 제어한다. 특히, T2가 Tmax를 초과하면, 상기 디젤매연필터(130)를 재생하기 위한 후분사를 중지한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 배기가스 후처리 시스템을 제어하기 위한 플로우차트이다.
도 6을 참조하면, S600에서 엔진(100)이 정상적으로 가동되고, S610에서 차량의 주행거리가 설정된 값보다 큰지가 판단되고, 그 주행거리에 따른 상기 LNT(120)의 열화도가 선택된다.
S620에서 상기 디젤매연필터(130)를 재생하기 위한 재생모드가 수행되는데, 상기 재생모드는 입자상물질을 제거하기 위한 것과 황성분을 제거하는 모드를 모두 포함한다.
S630에서 상기 LNT(120)의 전후단 온도가 상기 제1온도센서(TS1)와 상기 제2온도센서(TS2)를 통해서 감지된다.
S640에서, 엔진(100)의 회전수, 부하, 상기 LNT(120)의 전후단온도(T1, T2)를 기초로, 맵데이터로부터 상기 LNT(120)의 내부최고온도(T2)가 선택된다.
S650에서는 상기 제어부(140)는 상기 LNT(120)의 후단온도(T3)가 목표온도(Ttarget)와 최소온도(Tmin) 사이에 포함되도록 후분사를 제어한다.
S660에서는 상기 LNT(120)의 내부최고온도(T2)와 최고치(Tmax)를 비교하고, 상기 Tmax값이 상기 T2보다 크면 S670을 실행하고, 상기 Tmax값이 T2 이하이면, S692를 수행한다.
S692에서는 상기 T2의 수치를 낮추기 위해서 후분사를 중단하여 상기 디젤매연필터(130)를 재생(탈황)하기 위한 모드를 중단하고, S694를 수행한다.
상기 S694에서는 상기 LNT(120)의 후단부 온도(T3)와 목표온도(Ttarget)가 비교되고, T3가 Ttarget보다 작으면 S620이 다시 수행되고, T3가 Ttarget 이상이면 S692를 다시 수행한다.
S670에서 상기 LNT(120)의 내부최고온도(T2)에서 후단부온도(T3': 맵데이터에 저장된 값)를 뺀값이 연산되고, S680에서, 상기 후단부온도(T3')와 상기 뺀값(T2-T3'=Δt)을 더한 값과 Tmax가 비교된다.
특히, S670에서의 T3'값은 상기 제2온도센서(TS2)로부터 감지된 온도가 아니라, 상기 LNT(120)의 입구온도(감지된 값)와 상기 LNT(120)의 내부최고온도(T2: 설정값)에 의해서 선택된 값이다. S670을 제외한 T3값은 제2온도센서(TS2)로부터 감지된 값이다.
여기서, Tmax가 T3+Δt의 값보다 크면 S690을 실행하여 재생이 완료된 것으로 판단하고, Tmax가 T3+Δt 이하이면 S692를 실행한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 디젤매연필터의 열화도 고려하여, 상기 디젤매연필터(DPF)를 재생(탈황 재생 포함)하는 동안, 엔진 조건에 따른 T1, T2, T3값을 모니터링하여 데이터를 만든다.
아울러, 상기 데이터에 따라 상기 디젤매연필터를 재생할 때, 감지되는 전후단온도(T1, T3)를 기초로 상기 촉매의 내부온도(T2)를 선택하여, 상기 내부온도가 설정된 제한수치(Tmax)를 초과하지 않도록 후분사를 제어한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.
100: 엔진
110: 배기라인
120: LNT(촉매)
130: 디젤매연필터
140: 제어부

Claims (4)

  1. 배기가스에 포함된 유해물질을 제거하고, 산화반응에 의해서 배기가스의 온도를 상승시키는 촉매;
    상기 촉매의 후단에 배치되어 입자상물질을 여과하는 디젤매연필터;
    상기 촉매로 유입되는 배기가스의 온도와 상기 촉매에서 배출되는 배기가스의 온도를 감지하는 제1온도센서와 제2온도센서; 및
    연료의 추가분사를 통해서 상기 디젤매연필터에 포집된 입자상물질 또는 황성분을 제거하는 제어부; 를 포함하되,
    상기 제어부는, 주행거리에 따른 상기 촉매의 열화도를 설정된 데이터로부터 선택하고, 상기 제1,2온도센서로부터 상기 촉매의 전단온도(T1)와 후단온도(T3)를 감지하되,
    상기 디젤매연필터(DPF)가 재생되는 동안에, 상기 열화도, 및 상기 전후단온도(T1, T3)를 기초로 상기 촉매의 내부온도(T2)를 선택하여, 상기 내부온도가 설정된 제한수치(Tmax)를 초과하지 않도록 후분사를 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 제어부는 상기 디젤매연필터를 재생하기 위해서 후분사를 실시하고, 상기 촉매의 내부온도(T2)가 설정된 제한수치(Tmax)를 초과하는 것으로 판단되면, 후분사를 중지하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 제어부는,
    상기 디젤매연필터를 재생하기 위한 상기 촉매의 후단부 목표온도(Ttarget)와 상기 촉매의 후단부 최소온도(Tmin) 사이에 상기 촉매의 감지된 후단부 온도(T3)가 포함되도록 후분사양을 제어하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 제어부는, 상기 촉매의 전단부온도(T1), 상기 촉매의 선택된 내부최고온도(T2), 및 열화도를 기초로, 촉매의 후단부온도(T3')를 선택하고,
    상기 내부최고온도(T2)에서 상기 촉매의 선택된 후단부온도(T3')를 뺀값(Δt)과 상기 촉매의 감지된 후단부온도(T3)의 합이 상기 제한수치(Tmax)가 초과하면, 후분사를 중지하여 재생을 중단하는 것을 특징으로 하는 배기가스 후처리 시스템.
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