KR101405795B1

KR101405795B1 - 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법

Info

Publication number: KR101405795B1
Application number: KR1020120157807A
Authority: KR
Inventors: 주기형
Original assignee: 현대자동차주식회사
Priority date: 2012-12-31
Filing date: 2012-12-31
Publication date: 2014-06-12

Abstract

본 발명은 백연이 보이지 않는 정도의 수준 이내에서 황화합물을 주기적으로 배출시키는 방식으로 DPF 재생 시에 백연 배출량을 줄임에 따라 백연의 발생이 가시적으로 보이지 않게 하여 상품성을 향상시킬 수 있는 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법에 관한 것이다.

Description

디젤엔진 차량의 백연 저감 방법{Method for reducing white smoke from diesel engine vehicle}

본 발명은 DPF 재생 시 백연 발생을 저감하여 상품성을 향상시킬 수 있는 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법에 관한 것이다.

디젤엔진은 저연비이면서 우수한 신뢰성을 바탕으로 자동차, 선박, 일반산업용 등 산업 전반에서 사용 용도가 다양하고, 고출력 및 고부하 운전이 가능하여 수요가 계속 증가하고 있다.

그러나, 선진 각국에서 이러한 디젤자동차가 총 대기오염의 40%를 차지할 정도로, 대기오염의 주범으로 인식되고 있기도 하다.

이에 대응하기 위하여 각국에서는 디젤엔진의 배기가스 규제를 강화시키고 있다.

이러한 디젤자동차의 대기오염은 주로 질소산화물(NOx)과 입자상 물질(PM)에 의해 발생한다.

따라서, 디젤자동차 배기 규제의 주요한 대상물질은 질소산화물과 입자상 물질이며, 이의 대응기술로는 연료 분사시기 지연과 배기가스 재순환 장치(Exhaust Gas Recirculation)에 의한 질소산화물 농도 저감과, 입자상 물질을 저감하기 위한 엔진의 연소 성능 개선 및 개량에 중점을 두고 개발되었다.

질소산화물을 저감하기 위한 방법은 환원제를 이용하여 촉매 상에서 질소산화물을 질소와 산소로 환원하는 선택적 촉매 환원반응(SCR, Selective Catalytic Reduction)이 사용되고 있다.

상기 PM 저감 방법으로는 디젤 입자 필터(Diesel particulate filter, DPF) 방식이 널리 사용되고 있으며, 필터에 포집된 PM을 연속적으로 재생하는 방법에 따라 연속재생식, 강제재생식으로 나눌 수 있다.

연속재생식 방법은 DPF 전단에 설치된 산화촉매에 의해 NO를 NO₂로 전환하여 PM을 재생하는 방식이고, 보다 능동적으로 재생하기 위해 강제적으로 필터의 온도를 높일 수 있는 보조 기구를 사용하는 것이 강제재생식이다.

강제재생식으로는 DPF상에 전극을 형성하여 방전시키거나, 전기히터를 이용하여 필터의 온도를 높이거나 DPF 전단부에 플라즈마 반응기를 설치하여 재생하는 방법 또는 디젤을 분사하여 연소하는 방법 등이 있다.

한편, 50ppm 이상의 황이 포함된 연료를 사용하는 디젤엔진의 경우, 수분이 포함된 황산화물이 차량 주행을 하는 동안 촉매, 배기관 및 머플러 등에 포집되어 있다가, DPF 재생 시(예를 들어 400℃ 이상의 고온에 노출 시) 흡착되어 있던 황 성분이 떨어지면서 테일파이프(tail pipe)를 통해 배출된다.

그런데, 황이 포함된 연료를 사용하는 디젤엔진 차량에서 예를 들어 늦봄~초가을에는 배기가스 중 백연(하얀 연기;white smoke)의 발생이 없지만, 늦가을~초봄까지는 DPF 수트(SOOT) 재생시 수분이 포함된 배기가스 내의 황산화물(H₂SO₄) 성분이 저온의 대기에서 응축되어 다량의 백연(white smoke) 형태로 배출됨에 따라 시각적으로 불쾌감을 주어 상품성을 저하시키는 문제점이 있다.

특히, 현재 고유황유 사용 지역에는 DPF 재생 시 발생하는 백연에 의한 상품성 악화로 판매하지 못하고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명한 것으로서, 백연이 보이지 않는 정도의 수준 이내에서 황화합물을 주기적으로 배출시키는 방식으로 DPF 재생 시에 백연 배출량을 줄임에 따라 백연의 발생이 가시적으로 보이지 않게 하여 상품성을 향상시킬 수 있는 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법은 황이 포함된 연료를 사용하고, 디젤입자필터(DPF)가 장착되는 디젤엔진 차량에서, 연료 내 황 함량을 기준으로 연료 소모량을 계산하는 단계; 필터 내부에 포집된 황 퇴적량을 계산하는 단계; 상기 황 퇴적량이 기준량을 초과하는지 여부를 판단하는 단계; 상기 황 퇴적량이 기준량을 초과하는 경우 DPF 강제(수트) 재생 진입 여부를 판단하는 단계; 및 상기 DPF 강제 재생 진입이 되지 않으면 특정 온도까지 필터 온도를 급속 상승시키고, DPF 강제 재생 진입이 되면 필터 온도를 급속 상승시켜 황을 배출시키는 단계를 포함하고, 백연이 보이지 않을 정도의 수준 이내에서 황을 주기적으로 배출시켜 DPF 재생 시 백연의 발생을 방지할 수 있도록 된 것을 특징으로 한다.

특히, 상기 기준량은 필터 승온 시 백연이 설정값(%) 이하(불투명도 측정기(Opacimeter) 기준)로 나오는 황 함량인 것을 특징으로 한다.

상기 DPF 강제 재생 진입이 되지 않은 상태에서 필터 온도 상승 시 특정온도는 황을 탈착시키기 위한 최고 온도인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법의 장점을 설명하면 다음과 같다.

첫째로, DPF 강제 재생 전에 촉매, 배기관 및 머플러 등에 포집된 황 퇴적량을 체크하여 황 퇴적량이 기준량을 초과하는 경우에 황 탈착 승온시킴으로써 백연이 눈에 보이지 않을 정도의 수준으로 황을 주기적으로 배출시켜 DPF 재생 시 백연의 발생을 방지할 수 있다.

둘째로, 현재 DPF 재생시 백연 발생에 의한 상품성 악화로 판매가 저조한 고유황유 사용지역에서 DPF 장착 차량의 판매가 가능하여 친환경 이미지의 승용 디젤 차량의 판매량을 높일 수 있다.

셋째로, 백연이 발생할 수 있는 수준 이하의 황을 포집하여 주기적으로 배출시킴으로써 DPF 수트 재생 시 백연의 배출을 방지할 뿐만 아니라 강제 재생 시 기존의 저속 승온 대신에 급속 승온을 적용하여 재생시간을 단축하여 연비를 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법을 나타내는 플로챠트
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법에서 DPF의 입구 온도와 백연의 불투명도(Opacity)를 보여주는 그래프
도 3은 기존의 강제 재생 방식에 의한 DPF 재생 방법과 본 발명에 따른 DPF 재생 방법을 비교한 그래프

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하기로 한다.

본 발명은 디젤 엔진 차량에서 DPF 재생시 백연 배출량을 줄여 배기가스 중 백연(하얀 연기;White smoke)가 눈에 보이지 않도록 함으로써 상품성을 향상시킬 수 있는 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법에 관한 것이다.

본 발명은 백연이 발생할 수 있는 수준 이하의 황을 포집하여 주기적으로 배출시키므로 DPF 수트(SOOT) 재생시 백연의 배출을 방지할 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법을 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법을 나타내는 플로챠트이다.

도 1에 도시한 바와 같이, 여기서 X는 승온시 백연이 40% 이하(Opacimeter 기준)로 나오는 황 함량(g)이고, Y는 백연이 증가 후 최대가 된 온도(℃)이고, Z는 DPF 필터 보호를 위한 적정 최고 온도(℃, DPF 입구단 온도: T_DPFIN)이다.

판매전 ECU에 연료내 황 함량을 입력하고, 연료 내 황 함량 규제 및 함량이 변경 된 경우에 서비스센터에서 ECU를 재입력한다.

엔진이 운전되는 동안 상기 연료 내 황 함량(ppm)을 기준으로 연료 소모량을 계산하고, 황 퇴적량(g)을 계산한다.

그 다음, 상기 황 퇴적량이 기준량 X(g)을 초과하는지 여부를 판단한다.

여기서, 상기 기준량 X(g)는 승온 시 백연이 40% 이하(불투명도 측정기(Opacimeter) 기준)로 나오는 황 함량(g), 황 함량의 기준량은 배기가스에 포함된 황 성분이 대기로 배출될 때 백연이 가시적으로 보이지 않는 정도의 수준을 의미한다.

예를 들어 상기 X(g)는 3g일 수 있다.

이어서, 상기 황 퇴적량이 기준량을 초과하면 DPF 수트 강제 재생 여부를 판단한다.

그 다음, 상기 수트 강제 재생에 진입하지 않으면 DPF의 입구단 온도(T_DPFIN)를 특정온도(Y℃)까지 빠르게, 예를 들어 2℃/s 이상 승온시킨다.

여기서, 특정온도 Y℃는 황을 탈착시키기 위한 최고 온도를 의미한다. 이때, Y℃는 520℃일 수 있다.

예를 들어 촉매의 황 탈착은 DPF 입구 온도 기준 400℃에서 520℃ 사이에서 활발하게 일어나고, 양산 맵에 의한 강제 재생 시 승온 후 70초 이내에 500℃에 도달한다.

황 함량 500ppmS이 포함된 연료를 사용하는 경우에 400km 주행 시 12g의 황이 포집되고, 이 황 포집량이 3g(100km) 일 때마다 황 탈착 승온을 하면 백연의 배출수준이 급격히 개선된다.

상기 DPF의 온도를 특정온도까지 승온시킨 후, 즉 T_DPFIN>Y℃ 이면, 승온을 종료하며, 황함량을 0g으로 리셋한다.

이와 같이 황 탈착을 위한 급속 승온이 이루어지면 황이 필터에서 탈착(떼어 낸다는 의미임)되어 대기로 배출된다.

계속해서, 상기 수트 강제 재생에 진입하면 DPF 입구 온도(T_DPFIN℃)를 기존의 급속 승온 방법(예, 2℃/s 이상)으로 승온시켜 DPF 강제 재생을 실시한다.

그리고, 상기 DPF 입구단 온도(T_DPFIN℃)를 Z℃까지 온도를 유지한다.

이때 Z℃는 DPF 필터를 보호하기 위한 적정 최고 온도이다.

상기 DPF의 온도를 적정 최고 온도 Z℃까지 유지한 후 DPF 수트 강제 재생을 종료하고 황함량을 0g으로 리셋한다.

도 2는 DPF의 입구 온도와 백연의 불투명도(Opacity)를 보여주는 그래프이다.

도 2를 참조하면 급속 승온 시 나오는 초기의 백연은 전체 백연 분포에서 많은 부분을 차지한다.

그러나, 백연은 전체 양보다 배출되는 수준이 중요하다. 백연의 최대치(불투명도(opacity, %))는 520℃ 수준에서 나오며, 백연은 불투명도 40%를 기준으로 발생한다고 판단되므로, 520℃ 까지만 승온하여 백연을 배출시킬 수 있다.

그리고, 백연은 황 흡착량에 비례하기 때문에 4g 포집해서 승온시키면 백연을 최대 30% 이내 수준으로 감소하여 배출시킬 수 있다.

도 2의 그래프 결과(실선)는 황 함량 12g을 기준으로 평가한 것이다.

도 3은 기존의 강제 재생 방식에 의한 DPF 재생 방법과 본 발명에 따른 DPF 재생 방법을 비교하면 다음과 같다.

기존의 강제 재생 방식에 의한 DPF 재생 방법은 강제 재생 진입 조건을 만족하는 경우 저속 승온(0.5℃/s)에 의해 장시간동안 황을 탈착시키지만, 본 발명에 다른 DPF 재생 방법은 강제 재생 진입 전에 급속 승온(2℃/s)으로 3g(100km) 마다 황을 탈착시켜 배출시킨다.

따라서, 본 발명에 의하면 DPF 강제 재생 전에 촉매, 배기관 및 머플러 등에 포집된 황 퇴적량을 체크하여 황 퇴적량이 기준량을 초과하는 경우에 황 탈착 승온시킴으로써 백연이 눈에 보이지 않을 정도의 수준으로 황을 주기적으로 배출시켜 DPF 재생 시 백연의 발생을 방지할 수 있다.

또한, 현재 DPF 재생시 백연 발생에 의한 상품성 악화로 판매가 저조한 고유황유 사용지역에서 DPF 장착 차량의 판매가 가능하여 친환경 이미지의 승용 디젤 차량의 판매량을 높일 수 있다.

아울러, 백연이 발생할 수 있는 수준 이하의 황을 포집하여 주기적으로 배출시킴으로써 DPF 수트 재생 시 백연의 배출을 방지할 뿐만 아니라 강제 재생 시 기존의 저속 승온 대신에 급속 승온을 적용하는 방식으로 재생시간을 단축하여 연비를 향상시킬 수 있다.

Claims

황이 포함된 연료를 사용하고, 디젤입자필터(DPF)가 장착되는 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법에 있어서,
연료 내 황 함량과 연료 소모량을 가지고 필터 내부에 포집된 황 퇴적량을 계산하는 단계;
상기 황 퇴적량이 기준량을 초과하는지 여부를 판단하는 단계;
상기 황 퇴적량이 기준량을 초과하는 경우 DPF 강제(수트) 재생 진입 여부를 판단하는 단계;
상기 DPF 강제 재생 진입이 되지 않으면 DPF의 입구단 온도를 특정 온도까지 급속으로 상승시켜서, DPF 필터 입구단 온도가 특정온도(Y℃)를 초과하면, 승온을 종료하며, 황함량을 0g으로 리셋하는 방식으로, DPF 강제 재생 전에 황 퇴적량을 체크하여 황 퇴적량이 기준량을 초과하는 경우에 황 탈착을 위한 급속 승온을 통해 백연이 눈에 보이지 않을 정도의 수준으로 황을 주기적으로 배출시키는 단계;
DPF 강제 재생 진입이 되면 필터 온도를 급속 상승시켜 황을 배출시키고, 상기 DPF 입구단 온도를 특정온도(Z℃)까지 온도를 유지한 후, DPF 수트 강제 재생을 종료하고 황함량을 0g으로 리셋하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 기준량은 필터 온도 승온 시 백연이 설정값(%) 이하(불투명도 측정기(Opacimeter) 기준)로 나오는 황 함량인 것을 특징으로 하는 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 DPF 강제 재생 진입이 되지 않은 상태에서 필터 온도 상승 시 특정온도는 황을 탈착시키기 위한 최고 온도인 것을 특징으로 하는 디젤엔진 차량의 백연 저감 방법.