KR101567209B1 - 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법 - Google Patents

차량용 배기 후처리장치의 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 점차 강화되는 차량의 배기 규제를 만족시키기 위한 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법에 관한 것으로, 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 서로 같아지는 시간(돌파점 발생시간) 이후에 추가로 리치 운전시간을 연장/유지하여 LNT의 암모니아 발생량을 최적으로 제어하고 최적화된 배기 후처리 성능을 구현할 수 있는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 엔진이 리치 모드로 운전시, LNT의 전단 람다센서와 후단 람다센서 및 온도센서의 시그널을 검출하는 과정; 상기 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널을 비교하여 상기 두 람다센서 간에 돌파점 발생시간(tbt)을 검출하는 과정; 상기 돌파점 발생시간(tbt)과 상기 온도센서를 통해 검출한 배기온도를 기반으로 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정; 을 포함하며, 상기 돌파점 발생시간 이후 상기 추가 리치 시간(α) 동안 엔진의 리치 모드를 연장하여 운전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법을 제공한다.

Description

차량용 배기 후처리장치의 제어 방법 {EXHAUST PROCESSING DEVICE CONTROL METHOD FOR VEHICLE}
본 발명은 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 LNT(Lean NOx Trap)의 암모니아 발생량을 최적으로 제어하여 배기 처리 성능을 개선하기 위한 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법에 관한 것이다.
차량의 배기가스 규제가 강화되어감에 따라 배기가스 중 NOx(질소산화물)을 저감하기 위한 후처리 장치로서 LNT(Lean NOx Traps), SCR(Selective Catalytic Reduction) 등의 DeNOx 촉매(Catalyst) 기술이 적용되고 있다.
DeNOx 촉매는 배기가스에 포함된 NOx를 제거하는 일종의 촉매 컨버터로서, 우레아(Urea), 암모니아(NH3), 일산화탄소(CO), 탄화수소(HC) 등과 같은 환원제를 배기가스에 전달하면 DeNOx 촉매에서 NOx가 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원된다.
최근에는 희박 연소 엔진의 작동시 발생하는 배기가스 성분 중 NOx를 제거하기 위하여 LNT(혹은 LNT촉매)를 후처리 장치로서 사용하고 있으며, LNT는 희박(lean)한 분위기에서 배기가스에 포함된 NOx를 흡착 또는 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착 또는 흡장된 NOx를 탈착한다.
SCR 시스템은 SCR 촉매에 환원제를 공급하여 NOx를 효과적으로 저감할 수 있는 것으로, 배기가스를 재순환하여 연소실의 연소온도를 낮추어서 NOx를 저감하는 EGR(배기가스 재순환 장치)와는 다르게 배기가스에 환원제를 공급하여 NOx를 저감하는 방법을 채택하고 있다.
SCR 시스템은 우레아(UREA), 암모니아, 일산화탄소, 탄화수소 등과 같은 환원제가 산소와 NOx 중에서 NOx와 더 잘 반응하도록 한다는 의미에서 선택적 촉매 환원이라고 명명된다.
그 밖에 배기가스 중 입자상 물질(Particulate Matter, PM)을 저감하기 위한 후처리 기술로 DOC(Disel Oxidation Catalyst), DPF(Diesel Particulate Filter), CPF(Catalyzed Particulate Filter) 등의 기술이 개발되어 차량에 적용되고 있다.
또한, 최근에는 입자상 물질의 포집 기능과 NOx 저감 기능을 갖는 SDPF(SCR on Diesel Particulate Filter)가 개발되어 사용되고 있다.
SDPF는 다기공 DPF에 SCR 촉매를 코팅하여 NH3와 배기가스 중 NOx를 SCR 촉매 상에서 반응시켜 물과 N2로 정화하고, 더불어 필터 기능, 즉 DPF 기능을 통해 배기가스 중 입자상 물질을 포집한다.
이와 같이 차량의 배기 규제를 만족시키기 위해 다양한 후처리장치가 적용되고 있으나, 배기 규제가 점차 강화됨에 따라 강화된 규제를 만족하기 위해 더욱 최적화된 성능의 후처리장치가 요구되고 있다.
한편, LNT촉매는 NOx 흡장촉매와 산화촉매(Diesel Oxidation Catalyst : DOC)가 하나의 담체에 구성되며, 희박모드(Lean Mode)의 엔진 운전에서 촉매담층(Wash coat)에 NOx를 흡장하고, 농후모드(Rich Mode)의 엔진 운전에서 디젤 연료를 환원제로 활용하여 흡장된 NOx를 인체에 무해한 질소로 환원시켜 정화한다.
통상적으로 디젤엔진은 엔진에 투입되는 공기가 이론 당량비의 공기보다 많은 상태인 희박모드로 운전되며, 희박모드의 운전에서 발생되는 NOx는 NSC인 LNT촉매에 흡장된다. 그리고, LNT촉매에 흡장된 NOx를 인체에 무해한 질소로 환원시키기 위하여 스로틀 밸브를 일정량 닫음으로써 투입 공기를 감소시키고, 후연소를 추가로 유도하여 농후모드의 운전으로 전환한다.
농후모드와 희박모드의 운전을 위해 LNT촉매의 전/후단에 설치되는 람다센서 혹은 NOx 센서의 신호를 이용하고 있으나, 고가의 NOx센서 비용으로 인하여 람다센서를 이용하여 목표 공연비를 추종하는 방식이 적용된다.
LNT촉매에 흡장된 NOx가 일정량의 수준에 도달하면 농후모드의 운전으로 전환되면서 LNT촉매의 전단에 설치된 람다센서의 신호를 기준으로 하여 일정 수준(예를 들면, 0.92 ~ 0.94 수준)에서 NOx 재생 제어를 시작하며, 농후모드의 운전에서 생성된 HC, CO, H2와 같은 환원제는 LNT촉매에 흡장된 NOx를 N2로 환원시키는 역할을 한다.
LNT촉매는 NOx의 환원에 따라 흡장된 NOx량은 점차 감소하게 되고, 반응물이 점차 줄어들면서 농후모드가 지속될수록 슬립되는 환원제의 양도 증가하게 된다.
이에 따라 LNT촉매의 후단에 설치된 람다센서에서 검출되는 값은 점차적으로 LNT촉매의 전단에 설치된 람다센서에서 검출되는 값에 수렴을 하게 되면서, LNT촉매의 후단에서 환원제가 슬립되고 있음을 나타내게 된다.
한국공개특허 10-2011-0062614 한국공개특허 10-2011-0063140 한국공개특허 10-2011-0049155
본 발명은 점차 강화되는 차량의 배기 규제를 만족시키기 위해 고안한 것으로서, 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 서로 같아지는 시간(돌파점 발생시간) 이후에 추가로 리치 운전시간을 연장/유지하여 LNT의 암모니아 발생량을 최적으로 제어하고 최적화된 배기 후처리 성능을 구현할 수 있는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이에 본 발명에서는, 엔진이 리치 모드로 운전시, LNT의 전단 람다센서와 후단 람다센서 및 온도센서의 시그널을 검출하는 과정; 상기 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널을 비교하여 상기 두 람다센서 간에 돌파점 발생시간(tbt)을 검출하는 과정; 상기 돌파점 발생시간(tbt)과 상기 온도센서를 통해 검출한 배기온도를 기반으로 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정; 을 포함하며, 상기 돌파점 발생시간 이후 상기 추가 리치 시간(α) 동안 엔진의 리치 모드를 연장하여 운전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법을 제공한다.
여기서, 상기 돌파점 발생시간(tbt)은 엔진의 리치 모드 운전시 전단 람다센서의 시그널과 후단 람다센서의 시그널이 서로 일치되는 시간을 나타낸다.
본 발명의 구현예에 의하면, 상기 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정은, 배기가스 온도(T)가 T1 미만이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt <t1이면, 추가 리치 시간(α)을 a로 결정하는 과정; 배기가스 온도(T)가 T1 미만이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 t1≤tbt<t2이면, 추가 리치 시간(α)을 a+β로 결정하는 과정; 배기가스 온도(T)가 T1 미만이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt≥t2이면, 추가 리치 시간(α)을 a+γ로 결정하는 과정;을 포함할 수 있으며, 여기서, β<γ이고, t1<t2 이고, T1이 250℃ 이하일 때 b>c>a 이다.
또한 본 발명의 구현예에 의하면, 상기 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정은, 배기가스 온도(T)가 T1≤ T < T2이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt <t1이면, 추가 리치 시간(α)을 b로 결정하는 과정; 배기가스 온도(T)가 T1≤ T < T2이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 t1≤tbt<t2이면, 추가 리치 시간(α)을 b+β로 결정하는 과정; 배기가스 온도(T)가 T1≤ T < T2이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt≥t2이면, 추가 리치 시간(α)을 b+γ로 결정하는 과정;을 포함할 수 있으며, 여기서, β<γ이고, t1<t2 이고, T1<T2이고, T1이 250℃ 이하이고 T2가 350℃ 이상일 때 b>c>a 이다.
또한 본 발명의 구현예에 의하면, 상기 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정은, 배기가스 온도(T)가 T2 이상이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt <t1이면, 추가 리치 시간(α)을 c로 결정하는 과정; 배기가스 온도(T)가 T2 이상이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 t1≤tbt<t2이면, 추가 리치 시간(α)을 c+β로 결정하는 과정; 배기가스 온도(T)가 T2 이상이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt≥t2이면, 추가 리치 시간(α)을 c+γ로 결정하는 과정;을 포함할 수 있으며, 여기서, β<γ이고, t1<t2 이고, T2가 350℃ 이상일 때 b>c>a 이다.
본 발명에 따른 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법은 배기가스 온도와 전단 및 후단 람다센서의 시그널 간에 돌파점 발생시간(tbt)을 기준으로 추가 리치 시간(α)을 결정하여 NH3 발생량을 제어함으로써, 효과적으로 NH3 발생량을 증대시킬 수 있으며, 이에 의해 LNT 후단의 SCR에서 다량의 NOx 저감을 유도할 수 있고, CO/HC 슬립(slip) 감소 및 연비악화 억제를 구현할 수 있게 된다.
또한 이에 의해 향후 점차 강화되는 배기규제를 효과적으로 대응할 수 있는 기반을 마련할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 후처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 후처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 LNT에서의 암모니아 발생 매커니즘을 나타낸 도면
도 4는 본 발명의 배기 후처리장치에서 배기가스 온도에 따른 LNT의 암모니아 발생량을 나타낸 도면
도 5는 본 발명의 배기 후처리장치에서 돌파점 발생시간(tbt)에 따른 LNT의 암모니아 발생량을 나타낸 도면
도 6 및 도 7은 본 발명의 배기 후처리장치에서 서로 다른 조건에 따른 LNT의 암모니아 배출 농도를 나타낸 도면
도 8은 본 발명의 배기 후처리장치에서 배기가스 온도(T)와 돌파점 발생시간(tbt)에 따라 결정되는 추가 리치 시간(α)의 선정과정을 나타낸 도면
이하, 본 발명을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명하기로 한다.
본 발명은 점차 강화되는 배기 규제에 대응할 수 있는 LNT + passive SCR 시스템에 관한 것으로, 상기 시스템의 제어를 통해 LNT의 암모니아 발생량을 최적으로 제어하는 방법을 제시한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 배기 후처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로, 엔진(1)에서 배출되는 배기가스가 순차적으로 통과할 수 있도록 배기가스의 흐름방향을 기준으로 LNT(또는 LNT촉매라고 함)(2)와 제올라이트(zeolite) 타입의 SCR(또는 SCR촉매라고 함)(3)이 차례로 배치된다.
다시 말해, 엔진(1)의 후단에 LNT(2)가 설치 구성되고 이 LNT(2)의 후단에 SCR(3)이 설치 구성된다.
여기서, SCR(Selective Catalytic Reduction)(3)은 입자상 물질(Particulate Matter, PM)의 포집 기능과 NOx 저감 기능을 갖는 SDPF(SCR on Diesel Particulate Filter)일 수 있다.
SDPF는 다기공 DPF에 SCR 촉매를 코팅하여 구성한 것으로서, NH3와 배기가스 중 NOx를 SCR촉매 상에서 반응시켜 물과 N2로 정화하고, 더불어 필터 기능, 즉 DPF(Diesel Particulate Filter) 기능으로 배기가스 중 입자상 물질을 포집한다.
이러한 SDPF(3)와 LNT(Lean NOx Traps)(2)의 조합은 패시브(passive) SCR을 구성하게 되며, LNT(2)에 흡장되어 있는 NOx를 리치(rich)한 분위기에서 DeNOx시킬 때 NH3를 부산물로 생성하고, 이 NH3와 배기가스 중 NOx를 SDPF(3)에서 반응시켜 정화하게 된다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 배기 후처리장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것으로, 엔진(1)에서 배출되는 배기가스가 순차적으로 통과할 수 있도록 배기가스의 흐름 방향을 기준으로 LNT(2)와, H2S 저감형 DPF(Diesel Particulate Filter)(4), 제올라이트(zeolite) 타입의 SCR(5)이 차례로 배치된다.
다시 말해, 엔진(1)의 후단에 LNT(2)가 설치 구성되고 이 LNT(2)의 후단과 SCR(5)의 전단 사이에 별도의 DPF(4)가 설치 구성된다.
도 1 및 도 2의 실시예에서는 엔진(1)의 후단과 LNT(2)의 전단 사이에, 즉 LNT(2)의 전단에 배기가스 중 산소 농도를 검출하기 위한 전단 람다센서(6)가 설치되고, 상기 LNT(2)의 후단에 후단 람다센서(7)가 설치된다.
이때, 도 1의 실시예에서는 후단 람다센서(7,7-1)를 SDPF(3)의 후단에 설치할 수 있고, 즉 후단 람다센서(7,7-1)를 LNT(2)의 후단 또는 SDPF(3)의 후단에 설치할 수 있고, 도 2의 실시예에서는 후단 람다센서(7,7-2,7-3)를 LNT(2)의 후단 또는 DPF(4)의 후단 또는 SCR(5)의 후단에 설치할 수 있다.
그리고, 상기 각 실시예에서는 배기가스의 온도 검출을 위해 온도센서(8,9,10)가 설치되며, 도 1의 실시예에서는 온도센서(8,9)를 LNT(2)의 후단과 SDPF(3)의 후단에 각각 설치할 수 있고, 도 2의 실시예에서는 온도센서(8,9,10)를 LNT(2)의 후단과 DPF(4)의 후단 및 SCR(5)의 후단에 각각 설치할 수 있다.
도 1 및 도 2와 같이 구성되는 배기 후처리장치는 엔진(1)을 리치 모드로 제어시 전단의 LNT(2)에서 암모니아를 발생시켜 후단의 SCR(5) 또는 SDPF(3)(이하, SCR로 통칭하여 설명함)에서 암모니아와 질소산화물을 반응시켜 배기가스 중 질소산화물을 저감할 수 있게 된다.
이러한 배기 후처리장치는 엔진(1)이 리치 모드로 운전되는 리치 모드의 운전 시간(이하, 리치 시간이라고 함)이 증가함에 따라 NH3와 HC/CO가 증가하게 되나, 최적화 제어를 위해서는 엔진 조건에 따라 리치 시간을 적절하게 선정 및 제어하는 것이 필요하다.
만약 결정된 리치 시간이 최적화 제어를 위한 시간(최적의 리치 시간)보다 길 경우, NH3의 발생량은 크게 증가하지 않으면서, CO/HC 슬립(slip)이 증가하게 되고 연비도 나빠지게 된다. 그리고 리치 시간이 최적화 제어를 위한 시간(최적의 리치 시간)보다 짧을 경우, HC/CO 슬립은 작으나, NH3의 발생량이 적으므로 NOx 정화에 SCR이 기여하는 정도가 낮아진다.
이에 본 발명에 따른 배기 후처리장치에서는 엔진 조건에 따라 리치 시간의 최적으로 제어하여 LNT의 암모니아 발생량을 최적화함으로써 LNT 후단에 SCR에서 NOx를 효율적으로 정화할 수 있게 된다.
상기 배기 후처리장치는 LNT에 흡장 및 저장된 NOx를 저감하기 위해 주기적인 리치 분위기를 형성할 때, 엔진 조건에 따른 최적 리치 시간을 선정/제어함으로써, NH3 발생량 증가, SCR의 NOx 정화율 증대, HC/CO 슬립(slip) 억제 및 연비 악화 억제 등의 효과를 얻을 수 있다.
엔진의 리치 운전시, 다시 말해 엔진이 리치 모드에 진입 후, LNT의 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 서로 같아지는 시점을 tbt라고 하고 시그널이 같아지는데 걸린 시간을 t라고 하면, tbt 이후 리치 시간을 일정 시간(α)을 연장함에 의해 LNT의 암모니아 발생량이 증가하게 되고, 또한 CO/HC 슬립도 증가하게 된다.
따라서, tbt 이후 연장된 추가 리치 시간(α)을 엔진 조건에 따라 최적화하는 것이 필요하며, 추가 리치 시간(α)을 최적화하기 위해서는 엔진 람다값(공연비)이 일정한 값으로 설정된다는 전제하에 엔진/촉매 조건인 배기가스의 온도 및 유량, 촉매 에이징 정도 및 엔진의 리치 운전시 tbt까지 걸린 시간 t 등과 같이 NH3 발생에 영향을 미치는 주요 인자를 고려하는 것이 필요하다.
본 발명에서는 암모니아 발생에 영향을 미치는 인자 중 배기가스 온도(T)와, 리치 모드에 진입 후 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 서로 같아지는 시간(tbt)을 감안하여 tbt 이후의 추가 리치 시간(α)을 결정하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 LNT에서의 암모니아 발생 매커니즘을 나타낸 것으로, 전단 람다센서 및 후단 람다센서의 시그널(람다값)을 나타낸 상측 그래프와 LNT 전단의 배기가스 온도를 나타낸 중간 그래프와 LNT 후단의 암모니아 및 일산화탄소 농도를 나타낸 하측 그래프를 도시하고 있다.
도 3의 상측 그래프를 참조하면, 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 교차하여 람다값이 일치하게 되는 돌파점(Breakthrough)이 발생하기 이전에는 희박 모드에서 LNT에 질소산화물이 저장 및 흡장되고 리치 모드(농후 모드)에서 흡장된 질소산화물을 질소로 환원시켜 정화하게 되며, 이러한 과정은 아래 반응식 1과 같이 나타낼 수 있다.
[반응식 1]
Ba(NO3)2 + 3CO -> 2NO + 2CO2 + BaCO3
2NO + 2CO -> N2 + 2CO2
그리고, 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 교차하여 람다값이 일치하게 되는 돌파점(Breakthrough)이 발생한 이후에는, 추가적인 리치 운전시 그에 의한 추가 리치 시간(α) 동안 수소(H2)와 일산화질소(NO)가 반응하여 NH3를 생성하게 되며, 그 생성 과정은 아래 반응식 2와 같이 나타낼 수 있다.
[반응식 2]
CO + H2O -> CO2 + H2
HC3 +3H2O -> 3CO +6H2
5H2 + 2NO -> 2NH3 + 2H2O
NH3는 LNT의 산소저장물질에 저장된 산소와 NOx 흡장물질에 저장된 NOx가 소모되어 없어질 때부터 LNT에서 발생하기 시작한다. 따라서, 전단 및 후단 람다센서의 시그널이 서로 같아지는 돌파점 발생시간(t bt ) 이후에 추가 리치 시간(α)을 유지함으로써 NH3를 비교적 다량으로 배출할 수 있도록 제어할 수 있다.
도 4는 배기가스 온도에 따른 LNT의 암모니아 발생량을 나타낸 것으로, NH3 생성은 200℃ 정도의 낮은 온도에서 시작하며, 최대 300℃ 부근이고, 350℃ 이상에서도 NH3가 발생한다. 이때, 발생량은 엔진 람다(공연비), 배기가스 유량, 배기가스 농도 등에 의존적이다.
도 3의 하측 그래프를 참조하면, 암모니아는 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 서로 일치하게 되는 돌파점 발생시간(tbt)에서 최대량으로 발생하게 되므로, NH3가 가장 많이 발생하는 tbt 이후에 추가로 일정 시간(α) 동안 엔진의 리치 모드를 지속시킴에 의해 NH3 발생량을 증대시킬 수 있다.
그런데, 이때 추가 리치 시간(α)을 너무 짧게 증가시키면 상대적으로 NH3 발생량이 감소하고, 추가 리치 시간(α)을 너무 길게 증가시키면 NH3 발생량은 상대적으로 증가하나 CO량이 급격하게 증가하고 연비에도 악영향을 미치게 되므로, 추가 리치 시간(α)의 최적화가 필요하다.
또한, 도 3에 보이듯, 돌파점 발생시간(tbt)이후 연장된 추가 리치 시간(α) 동안에는 단위시간당 암모니아 생성량이 점차 감소한다.
도 5는 tbt 조건에 따른 LNT의 암모니아 발생량을 나타낸 것으로, 배기가스 온도가 300℃ 부근일 때 가장 많은 양의 NH3를 발생시키고, 그 외에 300℃ 미만 및 300℃ 이상에서는 상대적으로 NH3 발생량이 감소하게 된다.
또한, tbt의 값이 커질수록, 다시 말해 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 서로 일치되는 돌파점이 늦게 발생할수록, NH3의 발생량이 증가하게 된다.
따라서, 추가 리치 시간(α)의 제어시 배기가스 온도 및 돌파점 발생시간(tbt)에 의해서 추가 리치 시간을 결정함으로써 LNT에서 최대의 NH3량을 배출시킬 수 있고, 이에 의해 질소산화물 정화율을 증대시킬 수 있게 된다.
도 4에 보이듯, 배기가스 온도 275~325℃에서 최대 NH3가 발생하고, 225~275℃에서는 NH3 발생량이 감소하고, 325~375℃에서도 NH3 발생량이 감소하며, 375℃ 이상에서는 NH3 발생량이 급격히 감소한다.
그리고, 도 5에 보이듯, 동일 온도 조건에서 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널이 서로 일치하는 돌파점까지 걸리는 시간 t가 짧을수록 암모니아 발생량이 감소하며 추가 리치 시간(α)이 감소하게 된다.
도 6은 시간에 따른 LNT의 암모니아 농도를 나타낸 것으로, 서로 다른 tbt(전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널 간에 돌파점 발생시간)와 배기가스 온도를 제어 인자로 한 경우의 암모니아 농도 그래프가 도시되어 있다.
조건 1 : tbt = tbt1 (tbt1 > tbt2 > tbt3) & 배기가스 온도 = 300℃
조건 2 : tbt = tbt2 (tbt1 > tbt2 > tbt3) & 배기가스 온도 = 350℃ 부근
조건 3 : tbt = tbt3 (tbt1 > tbt2 > tbt3) & 배기가스 온도 = 400℃ 부근
즉, 도 6에는 상기 조건 1을 제어 인자로 선정한 제1그래프와, 상기 조건 2를 제어 인자로 선정한 제2그래프와, 상기 조건 3을 제어 인자로 선정한 제3그래프가 도시되어 있으며, 상기 각 그래프는 서로 다른 tbt와 배기가스 온도를 제어 인자로 함에 의해 서로 다른 시간 영역에서 피크점이 발생하게 된다.
또한 상기 제1그래프와 제2그래프 및 제3그래프는 순차적으로 암모니아 배출 농도 피크값이 감소하고, 전체적인 암모니아 배출량도 차례로 감소한다.
이때 상기 각 그래프는 서로 다른 조건을 제어 인자로 선택하였으나, 암모니아 배출 농도 패턴이 서로 유사한 패턴으로 형성되어 암모니아를 배출하게 됨을 알 수 있다.
도 6에서 tp1,tp2,tp3는 각각 임의의 ta에서 NH3 농도 피크까지 걸리는 시간이며, 이때 tp1,tp2,tp3를 각 조건에서의 추가 리치 시간(α)으로 선정할 수 있다.
즉, 임의의 기준점(기준 시간, ta)과 tbt(tbt1, tbt2, tbt3) 간에 시간차를 추가 리치 시간(α)으로 결정할 수 있다.
따라서, 배기가스 온도와 tbt를 추가 리치 시간(α)을 선정하기 위한 제어 인자로 하고, 배기가스 온도와 tbt에 따라 tbt 이후 추가 리치 시간(α)을 결정함으로써 NH3발생량을 효과적으로 증대시킬 수 있다.
도 7은 도 6에서와 같이 상기 조건에 따라 시간에 따른 LNT의 암모니아 농도 그래프를 나타낸 것으로, 각 그래프에서 tp1,tp2,tp3는 각각 임의의 ta에서 NH3 농도 피크까지 걸리는 시간이며, β1,β2,β3은 각 그래프의 tbt1, tbt2, tbt3 이후 추가로 리치 모드를 유지하는 값이며, 이때 tp1+β1, tp2+β2, tp3+β3를 각 조건1,2,3에서의 추가 리치 시간(α)으로 선정할 수 있다.
즉, 임의의 기준점(기준 시간, ta)과 tbt+β(tbt1+β, tbt2+β, tbt3+β) 간에 시간차를 추가 리치 시간(α)으로 결정할 수 있다.
상기 β1,β2,β3값을 크게 선정하면 LNT 후단에서 NH3 발생량은 증가하나, CO/HC 슬립량도 증가하게 되므로, β1,β2,β3값은 약 2초 이내가 적당하다.
한편, 도면으로 나타내지는 않았으나, 상기 추가 리치 시간(α)을 결정하기 위한 제어는 차량의 주제어부에서 수행하게 되며, 엔진제어부는 상기 주제어부가 전송한 신호를 기반으로 상기 추가 리치 시간(α)을 반영하여 엔진 운전을 제어하게 된다.
이에 상기 주제어부는 전단 및 후단 람다센서의 시그널 간에 돌파점 발생시간(tbt)과 배기가스 온도를 기준으로 추가 리치 시간(α)을 결정하고 NH3 발생량을 제어하기 위하여, 다음과 같은 과정을 통해 추가 리치 시간(α)을 결정하고 엔진의 리치 모드를 연장시킨다.
먼저, 엔진의 운전 모드를 판별하여 엔진을 리치 모드로 운전시키며, 엔진이 리치 모드로 운전시 LNT의 전단 람다센서와 후단 람다센서 및 온도센서의 시그널을 검출한다.
그리고, 상기 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널을 비교하여 두 람다센서의 시그널 간에 (돌파점 발생시간)을 검출한 뒤, 상기 돌파점 발생시간과 상기 온도센서를 통해 검출한 배기온도를 기반으로 추가 리치 시간(α)을 결정하고, 상기 돌파점 발생시간 이후 상기 추가 리치 시간(α) 동안 엔진의 리치 모드를 연장하여 엔진의 리치 모드를 더 오래 유지시키게 된다.
이때 상기 돌파점 발생시간은 엔진의 리치 모드 운전시 전단 람다센서의 시그널(람다값)과 후단 람다센서의 시그널(람다값)이 서로 일치되는 시간이다.
참고로, 상기 전단 람다센서 및/또는 후단 람다센서의 시그널 정보를 통해 람다값이 1 미만인 것으로 판단되면 엔진이 리치 모드로 운전됨을 인지할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명에서는 LNT의 후단에서 암모니아 발생량을 증대하기 위해 리치 모드의 연장을 위한 추가 리치 시간(α)을 결정하게 되며, 이때 추가 리치 시간(α)을 결정하는 인자는 배기가스 온도(T)와 tbt 이다.
도 8 및 표 1은 배기가스 온도(T)와 tbt 에 따라 결정되는 추가 리치 시간(α)을 나타낸 것이다.
Figure 112014038998051-pat00001
도 8 및 표 1에 보이듯, DeNOx를 위한 리치 모드를 엔진에 인가할 경우, 배기가스 온도(T)가 T1 이하이고 tbt 는 tbt <t1, 또는 t1≤tbt<t2, 또는 tbt≥t2인 경우, 각각 추가 리치 시간(α)을 a, a+β, a+γ로 선정할 수 있다(단, β<γ이고 t1<t2 임).
배기가스 온도(T)가 T1 이상이고 T2 미만이며, tbt 는 tbt <t1, 또는 t1≤tbt<t2, 또는 tbt≥t2인 경우, 각각 추가 리치 시간(α)을 b, b+β, b+γ로 선정할 수 있다(단, β<γ이고 t1<t2 임).
배기가스 온도(T)가 T2 이상이고, tbt 는 tbt <t1, 또는 t1≤tbt<t2, 또는 tbt≥t2 인 경우, 각각 추가 리치 시간(α)을 c, c+β, c+γ로 선정할 수 있다(단, β<γ이고 t1<t2 임).
여기서, T1<T2 이고, 예를 들어 T1은 250℃ 이하일 수 있고, T2는 350℃ 이상으로 설정할 수 있다.
배기가스 온도(T)가 300℃ 부근일 때 LNT의 후단에서 NH3가 가장 많이 발생되어 배출되므로, 일례로 T1~T2 사이에 300℃가 존재하면, 추가 리치 시간(α)을 나타내는 상기 a,b,c의 값은 b>c>a 순서가 된다.
LNT는 NOx 저장량이 많고, 촉매 열화 정도가 낮을수록 tbt가 커지게 되며 NH3의 발생량을 증가시킬 수 있게 된다.
또한 앞서 언급한 바와 같이, 배기가스 온도는 300℃ 부근에서 가장 많은 NH3 발생을 초래하게 되고, 그 외에 300℃ 이하 및 300℃ 이상에서 NH3 발생량이 감소하는 경향을 나타낸다.
따라서, 배기가스 온도 및 tbt를 기준으로 tbt이후의 추가 리치 시간(α)을 상기 표 1과 같이 3*3 매트릭스에 의해 결정하여 제어할 수 있으나, 이에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 3*3 매트릭스 이외에 배기가스 온도 및 tbt 등의 조건을 구분하고 구성하는 기준에 따라 2*2 매트릭스 및 4*4 매트릭스 등에 의해 tbt 이후의 추가 리치 시간(α)을 결정하여 제어할 수 있고, 또한 그외에 다른 형태로 배기가스 온도 및 tbt를 기준으로 하여 추가 리치 시간(α)을 결정할 수 있다.
이와 같이 본 발명에서는 배기가스 온도와 tbt를 기준으로 추가 리치 시간(α)을 결정하여 NH3 발생량을 제어함으로써, 효과적으로 NH3 발생량을 증대시킬 수 있으며, 이에 의해 LNT 후단의 SCR에서 다량의 NOx 저감을 유도할 수 있고, CO/HC 슬립(slip) 감소 및 연비악화 억제를 구현할 수 있게 된다.
또한 이에 의해 향후 점차 강화되는 배기규제를 효과적으로 대응할 수 있는 기반을 마련할 수 있다.
이상으로 본 발명의 실시예에 대해 설명하였는바, 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 의해 한정되지 않으며, 다음의 특허청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 포함된다.
1 : 엔진
2 : LNT
3 : SCR(SDPF)
4 : DPF
5 : SCR
6 : 전단 람다센서
7,7-1,7-2,7-3 : 후단 람다센서
8,9,10 : 온도센서

Claims (6)

  1. 엔진이 리치 모드로 운전시, LNT의 전단 람다센서와 후단 람다센서 및 온도센서의 시그널을 검출하는 과정;
    상기 전단 람다센서와 후단 람다센서의 시그널을 비교하여 상기 두 람다센서 간에 돌파점 발생시간(tbt)을 검출하는 과정;
    상기 돌파점 발생시간(tbt)과 상기 온도센서를 통해 검출한 배기온도를 기반으로 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정;
    을 포함하고,
    상기 돌파점 발생시간(tbt)은 엔진의 리치 모드 운전시 전단 람다센서의 시그널과 후단 람다센서의 시그널이 서로 일치되는 시간인 것을 특징으로 하는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 돌파점 발생시간 이후 상기 추가 리치 시간(α) 동안 엔진의 리치 모드를 연장하여 운전하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정은,
    배기가스 온도(T)가 T1 미만이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt <t1이면, 추가 리치 시간(α)을 a로 결정하는 과정;
    배기가스 온도(T)가 T1 미만이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 t1≤tbt<t2이면, 추가 리치 시간(α)을 a+β로 결정하는 과정;
    배기가스 온도(T)가 T1 미만이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt≥t2이면, 추가 리치 시간(α)을 a+γ로 결정하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법.
    여기서, β<γ이고, t1<t2 이고, T1이 250℃ 이하일 때 b>c>a 이다.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정은,
    배기가스 온도(T)가 T1≤ T < T2이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt <t1이면, 추가 리치 시간(α)을 b로 결정하는 과정;
    배기가스 온도(T)가 T1≤ T < T2이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 t1≤tbt<t2이면, 추가 리치 시간(α)을 b+β로 결정하는 과정;
    배기가스 온도(T)가 T1≤ T < T2이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt≥t2이면, 추가 리치 시간(α)을 b+γ로 결정하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법.
    여기서, β<γ이고, t1<t2 이고, T1<T2이고, T1이 250℃ 이하이고 T2가 350℃ 이상일 때 b>c>a 이다.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 추가 리치 시간(α)을 결정하는 과정은,
    배기가스 온도(T)가 T2 이상이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt <t1이면, 추가 리치 시간(α)을 c로 결정하는 과정;
    배기가스 온도(T)가 T2 이상이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 t1≤tbt<t2이면, 추가 리치 시간(α)을 c+β로 결정하는 과정;
    배기가스 온도(T)가 T2 이상이고, 돌파점 발생시간(tbt)은 tbt≥t2이면, 추가 리치 시간(α)을 c+γ로 결정하는 과정;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 배기 후처리장치의 제어 방법.
    여기서, β<γ이고, t1<t2 이고, T2가 350℃ 이상일 때 b>c>a 이다.
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