KR101416410B1 - 차량의 요소수 분사 제어장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 디젤차량에 장착되는 SCR일체형 디젤매연필터의 내부 온도 변화율과 재생온도의 차이를 고려하여 요소수 분사를 제어하도록 하는 차량의 요소수 분사량 제어방법이 개시된다.
본 발명은 SCR일체형 디젤매연필터가 재생모드에 진입되면 재생온도의 상승률을 검출하는 제1과정; SCR일체형 디젤매연필터의 재생온도 상승률이 설정된 제1기준을 초과하면 요소수 분사를 중지하고, 제1기준 미만이면 요소수 분사를 제어하는 제2과정; SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수 분사에 따른 온도 감소율이 설정된 제2기준 미만이면 요소수 분사량을 보정 제어하는 제3과정; SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수 분사에 따른 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이가 설정된 제3기준을 초과하면 요소수 분사량을 보정 제어하는 제4과정을 포함한다.

Description

차량의 요소수 분사 제어장치 및 방법{UREA INJECTION CONTROL SYSTEM FOR VEHICLE AND METHOD THEREOF}
본 발명은 차량의 요소수 분사 제어장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 더 상세하게는 디젤차량에 장착되는 SCR일체형 디젤매연필터의 내부 온도 변화율과 재생온도의 차이를 고려하여 요소수 분사를 제어하도록 하는 차량의 요소수 분사량 제어장치 및 방법에 관한 것이다.
디젤 차량에는 엔진의 연소과정에서 생성된 NOx, CO, THC, PM(Particulate Matters) 등의 유해물질을 제거하기 위한 다양한 형태의 후처리장치가 장착된다.
후처리장치는 엔진에 근접하게 배치되어 THC 및 CO를 산화시켜 정화하는 디젤산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst ; DOC), 입자상 물질을 포집하는 디젤매연필터(Diesel Particulate Filter : DPF), 암모니아(NH3)와 환원작용을 통해 NOx를 정화하는 SCR(Selective Catalytic Reduction)촉매가 포함된다.
상기의 SCR촉매는 NOx를 정화하기 위한 환원제로 암모니아(NH3)를 사용하며, NOx에 대한 선택도가 매우 우수하다.
SCR촉매는 NOx를 정화하기 위해 SCR촉매의 전단에 배치되는 도징모듈(Dosing Module)로 요소수(Urea)를 분사하고, 분사된 요소수의 증발 및 분해에 따라 생성되는 암모니아를 취득한다.
후처리장치에 대한 원가절감과 중량절감 및 효율적인 패키지를 제공하기 위해 SCR일체형 디젤매연필터가 적용되고 있다.
SCR일체형 디젤매연필터는 기존의 디젤매연필터에 NOx 정화기능 촉매를 코팅한 후처리장치로, SCR촉매와 디젤매연필터가 분리된 후처리장치와 비교하여 SCR 담체 및 캐닝이 삭제되어 중량을 저감시키고, 이에 따라 원가절감 및 연비향상이 제공될 수 있다.
그리고, SCR일체형 디젤매연필터는 SCR촉매가 배기관 상류측으로 이동 장착이 가능하므로 NOx 정화성능 확보를 위한 가열기능(Heat-up)기능이 필요 없으므로 NOx 정화 성능 향상과 연비 향상을 제공할 수 있다.
SCR일체형 디젤매연필터는 디젤매연필터의 전단에서 요소수 분사를 실시하므로 재생중 요소수 분사에 의한 재생온도 제어 정밀도를 고려하여 요소수 분사시기/분사량 제어가 필요하다.
SCR일체형 디젤매연필터의 재생중에 요소수가 분사되는 경우 배기가스의 열용량 증대에 의하여 재생온도가 저하되므로 요소수 분사량을 일정량 이상 증대시킬 때 목표 재생온도 확보를 위해 추가적인 연료 분사량의 증대가 수반되어야 하므로 연비가 악화된다.
또한, 디젤산화촉매의 후단에서 HC의 슬립량이 증대하여 SCR일체형 디젤매연필터의 내부온도 상승을 유발하고, 비정상 재생 발생시 온도가 급격하게 상승하여 SCR촉매의 열화를 촉진하고, 필터 파손을 유발할수 있다.
일본공개특허공보 제2006-274986호(2006.10.12.) 일본공개특허공보 제2011-052610호(2011.03.17.)
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 SCR일체형 디젤매연필터의 재생모드 진입 후 재생 온도의 상승율을 분석하여 요소수의 분사 여부를 판단하고, 요소수의 분사가 실행될 때 재생 온도의 감소율과 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이를 분석하여 요소수 분사량을 보정함으로써, 연비 개선을 제공하고 촉매 열화 및 필터 파손을 방지하고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르는 특징은 엔진의 배출가스에 포함된 NOx와 요소수로부터 취득한 암모니아를 환원반응시켜 NOx를 정화하고, PM을 포집하는 SCR일체형 디젤매연필터; 상기 SCR일체형 디젤매연필터의 온도 변화를 검출하는 온도센서; 상기 SCR일체형 디젤매연필터의 전단에 요소수를 분사하는 도징모듈을 포함하고,
SCR일체형 디젤매연필터의 재생모드에서 상기 온도센서에서 제공되는 정보로부터 온도 상승률을 분석하여 요소수의 분사 여부를 제어하고, 요소수의 분사에 따라 변화되는 재생 온도 감소율, 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이를 분석하여 요소수 분사량 보정을 제어하는 제어부를 포함하는 차량의 요소수 분사 제어장치가 제공된다.
상기 제어부는 SCR일체형 디젤매연필터가 재생모드에 진입된 이후 재생 온도의 승온에 따른 온도 상승률이 설정된 제1기준(A℃/sec) 미만이면 요소수 분사를 제어할 수 있다.
상기 제어부는 제1기준(A℃/sec)을 2.5℃/sec로 설정할 수 있다.
상기 제어부는 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중에 요소수 분사에 의해 재생 온도의 감소율이 설정된 제2기준(-A℃/sec) 미만이면 요소수 분사량 보정을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중에 요소수 분사에 따라 목표 재생온도와 실제 재생온도 차이가 제3기준(B℃)을 초과하면 요소수 분사량 보정을 제어할 수 있다.
상기 제어부는 제2기준(-A℃/sec)을 -2.5℃/sec로 설정하고, 제3기준(B℃)은 50℃로 설정할 수 있다.
상기 제어부는 암모니아(NH3)와 NOx의 비율, NOx의 질량 유속, 암모니아(NH3)의 반응율 함수로 SCR일체형 디젤매연필터에서 요구되는 암모니아(NH3)의 필요량을 산출할 수 있다.
상기 제어부는 암모니아(NH3)의 필요량 × 분자량비(요소수/NH3) ÷ 요소수내 요소 질량분율의 연산으로 요소수 필요량을 산출할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르는 특징은 SCR일체형 디젤매연필터가 재생모드에 진입되면 재생온도의 상승률을 검출하는 제1과정; 상기 SCR일체형 디젤매연필터의 재생온도 상승률이 설정된 제1기준을 초과하면 요소수 분사를 중지하고, 제1기준 미만이면 요소수 분사를 제어하는 제2과정; 상기 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수 분사에 따른 온도 감소율이 설정된 제2기준 미만이면 요소수 분사량을 보정 제어하는 제3과정; 상기 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수 분사에 따른 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이가 설정된 제3기준을 초과하면 요소수 분사량을 보정 제어하는 제4과정을 포함하는 차량의 요소수 분사 제어방법이 제공된다.
상기 제3과정에서 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수 분사에 따른 온도 감소율이 설정된 제2기준을 초과하거나 상기 제4과정에서 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이가 설정된 제3기준 미만이면 요소수 분사량 제어를 중지하는 과정을 더 포함할 수 있다.
상기 제2과정에서 암모니아(NH3)와 NOx의 비율, NOx의 질량 유속, 암모니아(NH3)의 반응율 함수로 SCR일체형 디젤매연필터에서 요구되는 암모니아(NH3) 필요량이 산출되고, 암모니아(NH3)의 필요량 × 분자량비(요소수/NH3) ÷ 요소수내 요소 질량분율의 연산으로 요소수 필요량을 산출할 수 있다.
이와 같이 본 발명은 SCR일체형 디젤매연필터의 장착으로 원가절감과 중량감소 및 연비향상을 제공하며, SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수가 분사될 때 촉매 내부의 온도 조건에 따라 요소수 분사량을 보정함으로서 연비 개선을 제공하고, 촉매 열화 및 필터 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 요소수 분사 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 차량의 요소수 분사 제어절차를 개략적으로 도시한 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 부여한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성은 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도면에 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 차량의 요소수 분사 제어장치를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예는 엔진(1)과, 배기 파이프(3), 디젤산화촉매(5), SCR일체형 디젤매연필터(10), 온도센서(12), 제어부(18), 도징모듈(20), 믹서(22), 요소탱크(30), 펌프(32), 요소공급라인(34) 및 압력센서(36)을 포함한다.
상기 디젤산화촉매(5)는 엔진(1)에 가까이 장착되어 산화반응을 통해 배출가스에 포함된 NOx를 정화한다.
SCR일체형 디젤매연필터(10)는 통상적인 디젤매연필터의 내부에 V2O5/TiO2 또는 Pt/Al2O3 또는 제올라이트(Zeolite) 등의 물질이 코팅 처리되어 구성되며, 도징모듈(20)에서 분사되는 요소수로부터 취득되는 암모니아와 NOx의 환원반응으로 NOx를 정화하고, PM을 포집하여 입자상 물질이 배출되는 것을 차단한다.
온도센서(12)는 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 온도 변화를 검출하여 제어부(18)에 제공한다.
제어부(18)는 SCR일체형 디젤매연필터(10)가 재생모드에 진입되면 상기 온도센서(12)에서 제공되는 정보로부터 온도 상승률을 분석하여 요소수의 분사 여부를 판단하고, 요소수의 분사에 따라 변화되는 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 재생 온도 감소율과 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이를 분석하여 요소수 분사량을 보정한다.
상기 제어부(18)는 SCR일체형 디젤매연필터(10)가 재생모드에 진입된 이후 재생 온도의 승온에 따른 온도 상승률이 설정된 제1기준, 예를 들어 2.5℃/sec미만일때 요소수 분사를 실시한다.
상기 제어부(18)는 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 재생중에 요소수 분사에 의해 재생 온도의 감소율이 설정된 제2기준, 예를 들어 -2.5℃/sec미만이거나 목표 재생온도와 실제 재생온도 차이가 제3기준, 예를 들어 50℃를 초과하면 요소수 분사량 보정을 실시한다.
상기 제어부(18)는 암모니아(NH3)와 NOx의 비율, NOx의 질량 유속, 암모니아(NH3)의 반응율 함수로 SCR일체형 디젤매연필터(10)에서 요구되는 암모니아(NH3)의 필요량을 산출한다.
상기 제어부(18)는 상기에서 산출된 암모니아(NH3)의 필요량 × 분자량비(요소수/NH3) ÷ 요소수내 요소 질량분율의 연산으로 요소수 필요량을 산출한다.
상기 제어부(18)는 재생온도의 감소율과 목표 재생온도 - 실제 재생온도의 함수로 요소수 분사량을 보정한다.
도징모듈(20)는 제어부(18)에서 인가되는 PWM(Pulse Width Modulation)신호에 따라 인젝터가 작동되어 상기에서 산출된 요소수 량을 고압으로 분사한다.
믹서(22)는 도징모듈(20)과 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 사이에 배치되어 도징모듈(20)을 통해 분사되는 요소수 입자를 충돌시켜 입자를 쪼개는 역할을 하며, 이를 통해 배출가스와 요소수 입자가 골고루 섞이도록 하여 배출가스내의 NOx와 요소수로부터 생성된 암모니아를 최적으로 혼합시킨다.
요소탱크(30)는 분사하기 위한 요소수가 수용되고, 내부에 장착되는 펌프(32)의 구동으로 요소공급라인(34)에 설정된 균등한 압력을 형성시킨다.
압력센서(36)는 요소공급라인(34)에 형성되는 압력을 검출하여 그에 대한 정보를 제어부(18)에 제공하여 엔진(1)이 시동 온을 유지하고 있는 상태에서 항상 설정된 압력이 유지될 수 있도록 한다.
전술한 바와 같은 기능을 포함하는 본 발명의 동작은 다음과 같이 실행된다.
본 발명의 실시예에 따른 SCR일체형 디젤매연필터가 장착되는 디젤 차량의 운행에 따라 SCR일체형 디젤매연필터(10)가 재생모드에 진입되면(S101), 제어부(18)는 온도센서(12)에서 제공되는 정보로부터 재생에 따른 온도 상승률을 검출한다(S102).
상기 온도 상승률은 단위 시간당 온도의 상승 변화로 검출할 수 있다.
상기 제어부(18)는 S102에서 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 온도 상승률이 설정된 제1기준(A℃/sec), 예를 들어 2.5℃/sec 미만인지를 판단한다(S103).
상기 제어부(18)는 S103에서 온도 상승률이 설정된 제1기준(A℃/sec)을 초과하면 요소수 분사 제어를 중지한다(S111).
그러나, 상기 제어부(18)는 S103에서 온도 상승률이 설정된 제1기준(A℃/sec)미만이면 암모니아(NH3)와 NOx의 비율, NOx의 질량 유속, 암모니아(NH3)의 반응율 함수로 SCR일체형 디젤매연필터(10)에서 요구되는 암모니아(NH3)의 필요량을 산출한다(S104).
그리고, 상기 제어부(18)는 상기 S104에서 산출된 암모니아(NH3)의 필요량 × 분자량비(요소수/NH3) ÷ 요소수내 요소 질량분율의 연산으로 요소수 필요량을 산출한 다음 도징모듈(20)을 제어하여 산출된 요소수량의 분사를 제공한다(S105).
상기 제어부(18)는 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 재생중에 요소수 분사에 따른 재생온도의 감소율을 검출하여(S106), 재생온도의 감소율이 설정된 제2기준(-A℃/sec), 예를 들어 -2.5℃/sec미만인지를 판단한다(S107).
상기 재생온도의 감소율은 단위 시간당 온도의 감소 변화로 검출할 수 있다.
상기 제어부(18)는 S107에서 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 재생중에 요소수 분사에 따른 재생온도의 감소율이 설정된 제2기준(-A℃/sec), 예를 들어 -2.5℃/sec를 초과하면 목표 재생온도와 실제 재생온도 차이가 제3기준(B℃), 예를 들어 50℃를 초과하는지 판단한다(S108).
상기 제어부(18)는 S107에서 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 재생중에 요소수 분사에 따른 재생온도의 감소율이 설정된 제2기준(-A℃/sec), 예를 들어 -2.5℃/sec 미만이거나 S108에서 목표 재생온도와 실제 재생온도 차이가 제3기준(B℃), 예를 들어 50℃를 초과하는 것으로 판정되면 재생온도의 감소율에 따라 요소수 분사량 보정을 실시한다(S109).
상기한 절차에 따라 SCR일체형 디젤매연필터(10)에 요소수 분사를 실행하거나 요소수 분사량 보정을 실시하는 과정에서 제어부(18)는 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 재생 종료가 검출되는지 판단한다(S110).
상기 제어부(18)는 SCR일체형 디젤매연필터(10)의 재생 종료가 검출되지 않으면 상기 S102의 과정으로 리턴되고, 재생 종료가 검출되면 재생중 요소수 분사량 제어모드를 중지하고(S111), 비재생중 요소수 분사량 제어모드로 전환한다(S112).
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
1 : 엔진 5 : 디젤산화촉매
10 : SCR일체형 디젤매연필터 12 : 온도센서
18 : 제어부 20 : 도징모듈

Claims (12)

  1. 엔진의 배출가스에 포함된 NOx와 요소수로부터 취득한 암모니아를 환원반응시켜 NOx를 정화하고, PM을 포집하는 SCR일체형 디젤매연필터;
    상기 SCR일체형 디젤매연필터의 온도 변화를 검출하는 온도센서;
    상기 SCR일체형 디젤매연필터의 전단에 요소수를 분사하는 도징모듈;
    을 포함하고,
    SCR일체형 디젤매연필터의 재생모드에서 상기 온도센서에서 제공되는 정보로부터 온도 상승률을 분석하여 요소수의 분사 여부를 제어하고, 요소수의 분사에 따라 변화되는 재생 온도 감소율, 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이를 분석하여 요소수 분사량 보정을 제어하는 제어부;
    를 포함하며,
    상기 제어부는 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중에 요소수 분사에 의해 재생 온도의 감소율이 설정된 제2기준(-A℃/sec) 미만이거나 목표 재생온도와 실제 재생온도 차이가 제3기준(B℃)을 초과하면 요소수 분사량 보정을 제어하는 차량의 요소수 분사 제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 SCR일체형 디젤매연필터가 재생모드에 진입된 이후 재생 온도의 승온에 따른 온도 상승률이 설정된 제1기준(A℃/sec) 미만이면 요소수 분사를 제어하는 차량의 요소수 분사량 제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제1기준(A℃/sec)을 2.5℃/sec로 설정하는 차량의 요소수 분사 제어장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 제2기준(-A℃/sec)을 -2.5℃/sec로 설정하고, 제3기준(B℃)은 50℃로 설정하는 차량의 요소수 분사 제어장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 암모니아(NH3)와 NOx의 비율, NOx의 질량 유속, 암모니아(NH3)의 반응율 함수로 SCR일체형 디젤매연필터에서 요구되는 암모니아(NH3)의 필요량을 산출하는 차량의 요소수 분사 제어장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 암모니아(NH3)의 필요량 × 분자량비(요소수/NH3) ÷ 요소수내 요소 질량분율의 연산으로 요소수 필요량을 산출하는 차량의 요소수 분사 제어장치.
  9. SCR일체형 디젤매연필터가 재생모드에 진입되면 재생온도의 상승률을 검출하는 제1과정;
    상기 SCR일체형 디젤매연필터의 재생온도 상승률이 설정된 제1기준을 초과하면 요소수 분사를 중지하고, 제1기준 미만이면 요소수 분사를 제어하는 제2과정;
    상기 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수 분사에 따른 온도 감소율이 설정된 제2기준 미만이면 요소수 분사량을 보정 제어하는 제3과정;
    상기 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수 분사에 따른 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이가 설정된 제3기준을 초과하면 요소수 분사량을 보정 제어하는 제4과정;
    을 포함하는 차량의 요소수 분사 제어방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제3과정에서 SCR일체형 디젤매연필터의 재생중 요소수 분사에 따른 온도 감소율이 설정된 제2기준을 초과하거나 상기 제4과정에서 목표 재생온도와 실제 재생온도의 차이가 설정된 제3기준 미만이면 요소수 분사량 제어를 중지하는 과정을 더 포함하는 차량의 요소수 분사 제어방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2과정에서 암모니아(NH3)와 NOx의 비율, NOx의 질량 유속, 암모니아(NH3)의 반응율 함수로 SCR일체형 디젤매연필터에서 요구되는 암모니아(NH3) 필요량이 산출되고,
    암모니아(NH3)의 필요량 × 분자량비(요소수/NH3) ÷ 요소수내 요소 질량분율의 연산으로 요소수 필요량이 산출되는 차량의 요소수 분사 제어방법.
  12. SCR일체형 디젤매연필터;
    상기 SCR일체형 디젤매연필터의 온도 변화를 검출하는 온도센서;
    상기 SCR일체형 디젤매연필터에 요소수를 분사하는 도징모듈;
    상기 요소수 분사를 제어하는 제어유닛;
    을 포함하며,
    상기 제어유닛은 설정된 프로그램에 따라 동작되어 상기 제9항 내지 제11항 중 어느 하나의 방법으로 SCR일체형 디젤매연필터의 재생모드에서 온도 변화에 따라 요소수 분사를 제어하는 차량의 요소수 분사 제어장치.
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