KR101371723B1 - 디젤차량의 백연 저감방법 및 시스템 - Google Patents

디젤차량의 백연 저감방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

디젤차량의 차속을 측정하는 차속측정단계; 상기 측정된 차속이 기준속도 이상인지 판단하는 차속판단단계; 및 상기 차속이 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정크기 미만으로 제어하는 저속승온단계;를 포함하는 디젤차량의 백연 저감방법 및 시스템이 소개된다.

Description

디젤차량의 백연 저감방법 및 시스템 {METHOD AND SYSTEM FOR REDUCING WHITE SMOKE FOR DIESEL VEHICLE}
본 발명은 디젤차량의 배기가스후처리장치의 승온시 발생될 수 있는 백연을 최소한도로 저감하기 위한 디젤차량의 백연 저감방법 및 시스템에 관한 것이다.
50ppm이상의 황이 포함된 연료를 사용한 디젤엔진에서 DPF의 재생시에는 백연(white smoke)이 발생하게 되어 차량의 상품성을 저하시키므로, DPF 재생시 white smoke를 저감할 수 있는 방안이 필요하다. 백연은 수분을 포함된 황산화물이 차량주행 동안 촉매, 배기관, 머플러 등에 포집되어 있다가 고온에의 노출시(DPF 재생시 : 예 400도 이상) 황산화물에 포함된 수분이 수증기로 증발되어 다량의 백연을 발생시키므로, 엔진 control을 통해 백연을 저감하고자 하는 것이 일반적이다.
현재 DPF 재생시 white smoke의 저감방법은 다양하게 제안된 상태이나, 그 방법이 일정 온도에서 온도를 유지시키는 방법으로 백연을 저감시키는 것으로서, 이러한 방법은 상대적으로 효과적이지 못하다.
왜냐하면, 고유황 연료를 사용하는 지역에는 DPF를 장착한 승용디젤차량은 판매가 거의 이루어지고 있지 않고, White smoke를 저감하는 방법은 촉매 기술에서 white smoke의 원인이 되는 황산화물 포집량을 줄이는 방법이 있으나, 황산화물 포집량을 줄인다는 것은 촉매의 정화성능을 낮춘다는 것과 연관되므로 촉매기술에서는 white smoke에서는 대응 기술이 없는 상태이고, 엔진 제어를 통한 방법 중 일정한 온도로 일정시간 유지시키는 방법이 있으나, 승온법 대비 비효율적이며, 백연 배출량이 상대적으로 과다할 수 있는 문제가 있다.
도 1은 종래의 디젤차량의 백연 저감순서를 나타낸 그래프이다. 이를 순차적으로 설명하면 아래와 같다.
백연제거 1은, 일정 차량 주행 거리마다 400~550℃ 온도로 10분 이하 시간을 노출시킬 경우, 황산화물에 포함된 수분을 점차 증발시켜 white smoke를 문제 수준이 되지 않게 배출하게 된다. 즉, 시각적으로 보이지 않는 정도의 수분만을 배출토록 하는 것이다.
백연제거 2, 3 역시 일정한 주행거리 이상 시점에서 백연제거 1과 같은 조건으로 온도/시간을 유지할 경우 황산화물에 포함된 수분을 점차 증발시켜 white smoke를 문제 수준이 되지 않게 배출하게 된다.
여기서 백연제거 1, 2, 3은 시스템에 따라 DPF 재생전까지 n회를 수행할 수 있다. 일반적인 DPF 재생주기(예 500km)정도에 soot가 일정이상 DPF에 포집되면, 위 그래프는 1단계로 백연제거 4 + 2단계로 승온을 점증시켜 DTI(Drop To Idle)조건이 되더라도 촉매의 멜팅이나, 크랙이 발생하지 않도록 하고 + 3단계로서 DPF 재생(Soot burning)을 수행하도록 하는 것이다.
이와 같이 구성함으로써, 백연의 발생원인이 되는 황산화물 + 수분의 주기적인 제거를 실시하고, DPF 재생과 같은 급격한 고온 노출시(600℃ 이상) 촉매, 배기관, 머플러 등에 포집되어 있던 황산화물 + 수분이 한꺼번에 고온에 노출되어 수분이 증가하여 다량의 white smoke가 배출되는 것을 방지할 수 있는 것이다.
그러나 이러한 백연제거의 과정은 고유황 디젤유를 사용하는 경우 마찬가지로 백연이 진하게 나타나는 문제를 갖는 것이고, 그에 따라 고유황 디젤유를 사용하는 경우에도 백연이 발생되지 않도록 하는 기술개발이 필요하였던 것이다.
특히, 차량이 고속으로 주행되거나 배기가스후처리장치의 온도가 급격하게 상승되는 경우에는 이러한 문제가 두드러졌는바, 연료의 성분이나 차량의 다양한 주행환경에서도 백연이 발생되지 않도록 하는 기술이 필요하였다.
상기의 배경기술로서 설명된 사항들은 본 발명의 배경에 대한 이해 증진을 위한 것일 뿐, 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에게 이미 알려진 종래기술에 해당함을 인정하는 것으로 받아들여져서는 안 될 것이다.
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 고유황 디젤유를 사용하는 경우에도 백연이 발생되지 않도록 하며, 연료의 성분이나 차량의 다양한 주행환경에서도 백연이 발생되지 않도록 하는 디젤차량의 백연 저감방법 및 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디젤차량의 백연 저감방법은, 디젤차량의 차속을 측정하는 차속측정단계; 상기 측정된 차속이 기준속도 이상인지 판단하는 차속판단단계; 및 상기 차속이 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정크기 미만으로 제어하는 저속승온단계;를 포함한다.
상기 차속판단단계는, 상기 차속이 기준속도 이상인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정크기 이상으로 제어하는 고속승온단계;를 더 포함한다.
상기 차속측정단계, 차속판단단계, 저속승온단계 및 고속승온단계를 일정 주기마다 반복 수행할 수 있다.
상기 기준속도는 20~30 km/h의 구간 사이에서 미리 정해질 수 있다.
상기 온도변화율의 일정크기는 0.5~1.5 ℃/s의 구간 사이에서 미리 정해질 수 있다.
상기 저속승온단계는 상기 차속이 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정구간 내로 제어할 수 있다.
상기 온도변화율의 일정구간은 0.5~1.5 ℃/s일 수 있다.
또한, 본 발명의 디젤차량의 백연 저감방법은 배기가스후처리장치의 온도를 측정하는 온도측정단계; 및 상기 측정된 온도가 기준온도 이상인지 판단하는 온도판단단계;를 더 포함하고, 상기 저속승온단계는 상기 배기가스후처리장치의 온도가 기준온도 이상이며 차속이 기준속도 미만인 경우, 배기가스후처리장치의 승온시 온도변화율을 일정크기 미만으로 제어할 수 있다.
상기 기준온도는 350~450 ℃의 구간 사이에서 미리 정해질 수 있다.
한편, 상기 디젤차량의 백연 저감방법을 수행하기 위한 디젤차량의 백연 저감시스템은, 디젤차량의 차속을 측정하는 차속측정부; 배기가스의 유해 성분을 처리하는 배기가스후처리장치; 상기 배기가스후처리장치의 온도를 측정하는 온도측정부; 상기 배기가스후처리장치를 승온시켜 재생되도록 하는 승온부; 및 상기 차속이 기준속도 이상인지 판단하고, 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시 온도변화율이 일정크기 미만으로 되도록 승온부를 제어하는 제어부;를 포함한다.
상기 온도측정부는 디젤산화촉매(DOC)의 담체(BED)측 온도를 측정할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 디젤차량의 백연 저감방법 및 시스템에 따르면, 백연에 의한 차량의 상품성 저하를 방지할 수 있고, 현재의 재생 조건에서 고유황 연료를 사용하여 DPF를 재생시킬 경우, 차량에 불이 난 것 같은 다량의 백연 발생을 해결할 수 있다.
또한, 차량의 배기가스 온도나 후처리장치의 온도 및 주행상황이 변화되더라도 백연이 발생되지 않도록 할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 디젤차량의 백연 저감방법을 설명하기 위한 그래프.
도 2는 배기가스후처리장치의 온도변화에 따른 백연의 발생정도를 나타낸 그래프.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤차량의 백연 저감방법의 순서도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤차량의 백연 저감시스템의 구성도.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 디젤차량의 백연 저감방법 및 시스템에 대하여 살펴본다.
도 2는 배기가스후처리장치의 온도변화에 따른 백연의 발생정도를 나타낸 그래프로서, 1000ppm 황을 20g 포집한 후 배기가스후처리장치를 승온하여 백연 배출을 Opacimeter로 측정한 결과이다.
해당 그래프와 같이, 백연의 발생원인 황산화물을 흡착하는 것은 주로 DOC인데, DOC only 조건에서도 많은 백연이 배출되었고 DOC(Doc only에 사용한 DOC) + DPF 조건에서도 DOC only 보다 많은 백연이 배출되었다. 그러나, 대부분의 백연은 DOC only일 때 배출된 것으로 볼 수 있다.
따라서, 백연을 발생하는 백연원인 황산화물은 DOC에 주로 흡착된 후, 고온에 노출될 경우 배출되어 외기 접촉/응축되어 백연으로 보이게 됨을 알 수 있다. 이는 황산화물의 흡착site인 DOC 촉매는 일반적으로 DPF 촉매 대비하여 washcoat가 10배 이상 많이 코팅되므로 황을 흡착할 수 있는 site를 많이 제공하기 때문이다. 따라서, 백연 발생원은 DOC에 흡착된 황산화물이며, DOC에 흡착된 황산화물을 과다한 백연없이 배출시키려면, DOC를 천천히 승온시켜 과도한 백연 배출을 억제해야 하는 것이다. 즉, 일반적인 DPF의 재생법에서는 DPF 전단온도(T5)를 기준으로 하여 DPF를 승온시키나, 백연 배출량을 정밀제어하기 이해서는 DOC BED 온도(T4)를 control 해야 하는 것이다. DOC BED온도가 촉매온도를 대표하는 온도이고, DOC BED온도 제어를 통해서 만이 DOC 온도 및 온도 기울기를 안정적으로 제어할 수 있으므로 백연 저감을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
또한, 도 2의 그래프에서 볼 수 있듯이, 배기가스후처리장치의 온도가 400℃ 이하에서는 백연의 검출이 거의 이루어지지 않았고, 온도가 급격히 상승되는 400℃ 이상의 구간에서는 백연도 급격히 검출되었으며, 온도가 어느 정도 안정화된 구간에서는 백연의 증가비율도 완만해짐을 알 수 있다.
따라서, 이러한 실험결과를 바탕으로 한 본 발명의 디젤차량의 백연 저감방법은, 디젤차량의 차속을 측정하는 차속측정단계(S300); 상기 측정된 차속이 기준속도 이상인지 판단하는 차속판단단계(S400); 및 상기 차속이 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정크기 미만으로 제어하는 저속승온단계(S500);를 포함한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤차량의 백연 저감방법의 순서도로서, 차량의 차속을 측정 한 후 측정된 차속이 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 온도를 상승시킴에 있어 온도변화율을 일정크기 미만으로 제어하도록 함으로써 급격한 온도상승을 방지하고 이를 통해 급격히 백연이 배출되는 현상을 방지하는 것이다.
이는 주행속도가 높을수록, 외부 공기에 의해서 백연과 외기의 Mixing이 원활히 일어나서 백연의 농도가 완만해지기 때문이다. 따라서, 차속이 증가할 경우에는 DPF의 soot 제거를 위한 승온 속도를 증가시켜도 문제가 되지 않게 된다. 즉, 차속에 따라 DPF 재생 속도를 Control함으로써 백연 문제를 최소화할 수 있는 것이다.
이러한 실험결과에 근거할 때, 상기 차속판단단계(S400)는, 상기 차속이 기준속도 이상인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정크기 이상으로 제어하는 고속승온단계(S600);를 더 포함할 수 있다. 차량이 고속으로 주행될 경우에는 백연이 가시적으로 덜 보이기 때문에 이 경우에는 백연의 감소보다는 DPF의 재생에 더욱 초점을 맞추어 조절하는 것이다.
한편, 상기 차속측정단계(S300), 차속판단단계(S400), 저속승온단계(S500) 및 고속승온단계(S600)를 일정 주기마다 반복 수행하도록 함으로써 황산화물을 사전에 제거하도록 할 수 있다.
구체적으로, 상기 차속의 기준속도는 20~30 km/h의 구간 사이에서 미리 정해지도록 할 수 있다. 즉, 제어부에서는 판단의 기준인 차속의 기준속도를 예를들어 25km/h 정도로 설정하여 두고 이를 넘을 경우에는 배기가스후처리장치의 온도를 급격히 상승시키고, 이에 미치지 못할 경우에는 온도를 다소 완만히 상승시키도록 하는 것이다.
또한, 상기 온도변화율의 일정크기는 0.5~1.5 ℃/s의 구간 사이에서 미리 정해놓을 수도 있다. 실험결과 대략 1℃/s의 온도상승을 기준으로 하여 백연이 많이 발생되거나 적게 발생되기 때문이다.
한편, 상기 저속승온단계(S500)는 상기 차속이 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정구간 내로 제어하도록 할 수 있으며, 상기 온도변화율의 일정구간은 0.5~1.5 ℃/s일 수 있다. 즉, 저속시에는 온도변화율을 어느 하나의 변화율로 특정하여 제어하는 것이 아니라, 일정 구간을 만들어두고, DPF의 재생필요를 고려하여 상황에 따라 구간내에서 가변적으로 제어하도록 하는 것도 가능한 것이다.
또한, 본 발명은 배기가스후처리장치의 온도를 측정하는 온도측정단계(S100); 및 상기 측정된 온도가 기준온도 이상인지 판단하는 온도판단단계(S200);를 더 포함할 수 있다. 그리고, 상기 저속승온단계(S500)는 상기 배기가스후처리장치의 온도가 기준온도 이상이며 차속이 기준속도 미만인 경우, 배기가스후처리장치의 승온시 온도변화율을 일정크기 미만으로 제어하도록 하며, 상기 기준온도는 350~450 ℃의 구간 사이에서 미리 정해지도록 할 수 있다.
왜냐하면, 앞서 살핀 바와 같이 배기가스후처리장치의 온도가 400℃ 이하에서는 백연의 검출이 거의 이루어지지 않았고, 온도가 급격히 상승되는 400℃ 이상의 구간에서는 백연도 급격히 검출되었으며, 온도가 어느 정도 안정화된 구간에서는 백연의 증가비율도 완만해지기 때문이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤차량의 백연 저감시스템의 구성도로서, 본 발명의 디젤차량의 백연 저감시스템은, 디젤차량의 차속을 측정하는 차속측정부(100); 배기가스의 유해 성분을 처리하는 배기가스후처리장치(200); 상기 배기가스후처리장치(200)의 온도를 측정하는 온도측정부(300); 상기 배기가스후처리장치(200)를 승온시켜 재생되도록 하는 승온부(400); 및 상기 차속이 기준속도 이상인지 판단하고, 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치(200)의 승온시 온도변화율이 일정크기 미만으로 되도록 승온부(400)를 제어하는 제어부(500);를 포함한다.
또한, 상기 온도측정부(300)는 디젤산화촉매(DOC)의 담체(BED)측 온도를 측정하도록 함이 바람직한데, 이는 앞서 살핀 바와 같이, 황산화물의 흡착site인 DOC 촉매는 일반적으로 DPF 촉매 대비하여 washcoat가 10배 이상 많이 코팅되므로 황을 흡착할 수 있는 site를 많이 제공하기 때문이다. 따라서, 백연 발생원은 DOC에 흡착된 황산화물이며, DOC에 흡착된 황산화물을 과다한 백연없이 배출시키려면, DOC를 천천히 승온시켜 과도한 백연 배출을 억제해야 하는 것이다. 즉, 일반적인 DPF의 재생법에서는 DPF 전단온도(T5)를 기준으로 하여 DPF를 승온시키나, 백연 배출량을 정밀제어하기 이해서는 DOC BED 온도(T4)를 control 해야 하는 것이다. DOC BED온도가 촉매온도를 대표하는 온도이고, DOC BED온도 제어를 통해서 만이 DOC 온도 및 온도 기울기를 안정적으로 제어할 수 있으므로 백연 저감을 효과적으로 수행할 수 있게 된다.
그리고, 상기 승온부의 경우에는 배기가스후처리장치의 재생을 위한 것으로서 별도의 연료를 전단에 분사하여 배기가스의 온도를 높이거나 히터를 통하여 장치의 온도를 높이거나 엔진에서의 제어를 통해 온도를 높이는 등의 다양한 실시예가 적용될 수 있음은 물론이다.
본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 제공되는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 한도 내에서, 본 발명이 다양하게 개량 및 변화될 수 있다는 것은 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명할 것이다.
100 : 차속측정부 200 : 배기가스후처리장치
300 : 온도측정부 400 : 승온부
500 : 제어부 S100 : 온도측정단계
S200 : 온도판단단계 S300 : 차속측정단계
S400 : 차속판단단계 S500 : 저속승온단계
S600 : 고속승온단계

Claims (11)

  1. 디젤차량의 차속을 측정하는 차속측정단계(S300);
    상기 측정된 차속이 기준속도 이상인지 판단하는 차속판단단계(S400); 및
    상기 차속이 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정크기 미만으로 제어하는 저속승온단계(S500);를 포함하고,
    상기 차속판단단계(S400)는, 상기 차속이 기준속도 이상인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정크기 이상으로 제어하는 고속승온단계(S600);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감방법.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 차속측정단계(S300), 차속판단단계(S400), 저속승온단계(S500) 및 고속승온단계(S600)를 일정 주기마다 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 기준속도는 20~30 km/h의 구간 사이에서 미리 정해진 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 온도변화율의 일정크기는 0.5~1.5 ℃/s의 구간 사이에서 미리 정해진 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감방법.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 저속승온단계(S500)는 상기 차속이 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치의 승온시, 온도변화율을 일정구간 내로 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 온도변화율의 일정구간은 0.5~1.5 ℃/s인 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감방법.
  8. 청구항 1에 있어서,
    배기가스후처리장치의 온도를 측정하는 온도측정단계(S100); 및 상기 측정된 온도가 기준온도 이상인지 판단하는 온도판단단계(S200);를 더 포함하고,
    상기 저속승온단계(S500)는 상기 배기가스후처리장치의 온도가 기준온도 이상이며 차속이 기준속도 미만인 경우, 배기가스후처리장치의 승온시 온도변화율을 일정크기 미만으로 제어하는 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 기준온도는 350~450 ℃의 구간 사이에서 미리 정해진 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감방법.
  10. 디젤차량의 차속을 측정하는 차속측정부(100);
    배기가스의 유해 성분을 처리하는 배기가스후처리장치(200);
    상기 배기가스후처리장치(200)의 온도를 측정하는 온도측정부(300);
    상기 배기가스후처리장치(200)를 승온시켜 재생되도록 하는 승온부(400); 및
    상기 차속이 기준속도 이상인지 판단하고, 기준속도 미만인 경우에는 배기가스후처리장치(200)의 승온시 온도변화율이 일정크기 미만으로 되도록 승온부(400)를 제어하는 제어부(500);를 포함하고,
    상기 온도측정부(300)는 디젤산화촉매(DOC)의 담체(BED)측 온도를 측정하는 것을 특징으로 하는 디젤차량의 백연 저감시스템.
  11. 삭제
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