KR101592745B1 - 작동온도 영역이 확대된 lnt 시스템 - Google Patents

작동온도 영역이 확대된 lnt 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템에 관한 것으로, 제1 린낙스트랩이 구비된 클로즈 커플드 후처리장치와, 클로즈 커플드 후처리장치가 구비된 배기관 후단에 구비되되, 제2 린낙스트랩이 구비된 언더 플로우 후처리장치와, 클로즈 커플드 후처리장치와 언더 플로우 후처리장치 사이에 위치되도록 배기관에 구비된 연료분사장치를 포함하며, 클로즈 커플드 후처리장치 및 언더 플로우 후처리장치에 각각 제1 린낙스트랩과 제2 린낙스트랩이 구비되므로, NOx를 흡장하는 총 린낙스트랩의 부피가 증가되며, 배기관에 구비된 연료분사장치로 제2 린낙스트랩 및 DPF의 DeNOx(NOx 정화), DePM(PM 산화), DeSOx(SOx 피독)가 진행되므로, 고속, 고부하 운전 조건에서도 배기관 후단에 구비된 제2 린낙스트랩으로 유입되는 배기온이 300도 수준을 유지하여높은 NOx 정화율을 유지하게 되며, NOx 정화율이 기존 정화율 대비 20% 이상 향상되는 효과가 있는 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템을 제공한다.

Description

작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템{LNT SYSTEM EXPANDED OPERATING TEMPERATURE AREA}
본 발명은 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배기관 전단 및 후단에 각각 구비된 후처리장치에 린낙스트랩을 설치하여 NOx포집량을 늘리고, 배기관에 추가적인 연료분사장치를 구비하여 린낙스트랩의 과열을 방지함과 동시에 NOx정화율을 향상시키는 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템에 관한 것이다.
린낙스트랩(LEAN NOx TRAP)의 NOx(질소산화물) 정화 성능은 배기온이 증가함에 따라 증가하다가, 일정 온도 이상에서는 감소하는 경향을 나타낸다(도 1 참조).
또한, 강화된 배기규제 예를 들어 유로6(EURO 6)의 도입에 따라 WLTC(WORLD-HARMONIZED LIGHT-DUTY TEST PROCEDURE), RDE(REAL DRIVING EMISSION), ARTEMIS(실제고속주행조건) 등 고속 및 고부하 영역의 높은 배기온 상태에서의 NOx 규제를 만족시켜야 한다(도 2 및 도 3 참조).
도 1 및 도 3을 참조하면, NEDC모드와 대비하여, WLTC, ARTEMIS, FTP+US06 규제를 대응하여야 할 경우, 배기가스의 온도가 섭씨 400도 이상인 영역이 상당부분 존재하여, NOx정화율(흡장능력)이 급격히 감소하게 된다.
특히, 고온일수록 엔진에서 배출되는 NOx량은 급격히 증가한다. 섭씨 450도 이상 영역에서는 NOx 정화율이 급격히 감소하여 거의 NOx 저장성능을 가지지 못하게 된다.
따라서, 섭씨 400도 이상에서의 고온영역에서 NOx 정화율을 유지할 수 있는 시스템이 필요하다.
대한민국 등록특허공보 제10-0892538호(2009.04.01.) 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0017392(2013.02.20.)
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명의 목적은, 린낙스트랩의 작동온도 영역이 확대됨으로써, NOx 정화효율이 증대되어 강화된 배기규제를 만족할 수 있는 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템에 따르면, 제1 린낙스트랩이 구비된 클로즈 커플드 후처리장치와, 후처리장치가 구비된 배기관 후단에 구비되되, 제2 린낙스트랩이 구비된 언더 플로우 후처리장치와, 클로즈 커플드 후처리장치와 언더 플로우 후처리장치 사이에 위치되도록 배기관에 구비된 연료분사장치를 포함하는 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템을 제공한다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 클로즈 커플드 후처리장치는, 배기관이 연결된 엔진과 제1 린낙스트랩 사이에 구비된 제1 온도센서와 제1 람다센서를 포함할 수 있으며, 언더 플로우 후처리장치는, 연료분사장치와 제2 린낙스트랩 사이에 구비된 제2 온도센서와 제2 람다센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 언더 플로우 후처리장치는, 배기관에 구비된 DPF를 포함할 수 있으며, 제2 린낙스트랩과 DPF가 일체로 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 언더 플로우 후처리장치는, 배기관에 구비된 DPF를 포함할 수 있으며, DPF가 제2 린낙스트랩 후단에 위치될 수 있으며, 제2 린낙스트랩과 DPF 사이에 제3 온도센서가 구비될 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 의하면, 언더 플로우 후처리장치는, DPF 후단에 구비된 제3 람다센서를 포함할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템에 따르면, 클로즈 커플드 후처리장치에 구비된 제1 온도센서로 측정된 배기가스의 온도가 섭씨 350도 이하인 경우, 클로즈 커플드 후처리장치에 구비된 제1 린낙스트랩에서 NOx를 흡장하고, 엔진에서 후분사를 하여 제1 린낙스트랩에 흡장된 NOx를 정화하는 것을 특징으로 하는 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템을 이용한 배기가스 후처리 방법을 제공한다.
본 발명의 하나의 측면에 의하면, 제1 온도센서로 측정된 배기가스의 온도가 섭씨 350도를 초과한 경우, 제1 린낙스트랩 및 언더 플로우 후처리장치에 구비된 제2 린낙스트랩에서 NOx를 흡장하고, 제1 린낙스트랩에 흡장된 NOx는 엔진의 후분사를 통해 정화되며, 제2 린낙스트랩에 흡장된 NOx는 배기관에 구비된 연료분사장치에서 분사되는 연료를 통해 정화될 수 있다.
이러한 본 발명에 따른 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템에 의하면, 클로즈 커플드 후처리장치 및 언더 플로우 후처리장치에 각각 제1 린낙스트랩과 제2 린낙스트랩이 구비되므로, NOx를 흡장하는 총 린낙스트랩의 부피 증가되며, 배기관에 구비된 연료분사장치로 제2 린낙스트랩 및 DPF의 DeNOx(NOx 정화), DePM(PM 산화), DeSOx(SOx 피독)가 제어되므로, 고속, 고부하 운전 조건에서도 배기관 후단에 구비된 제2 린낙스트랩으로 유입되는 배기온이 적정 수준을 유지하여 높은 NOx 정화율을 유지하게 되며, NOx 정화율이 기존 정화율 대비 20% 이상 향상되는 효과가 있다.
또한, 배기관에 독립적으로 구비된 연료분사장치를 통하여 제2 린낙스트랩 및 DPF의 DeNOx, DePM, DeSOx가 진행되므로, 제2 린낙스트랩의 온도 제어가 용이하며, 제2 린낙스트랩의 열적 내구성을 확보할 수 있는 효과가 있다.
또한, 배기관에 독립적으로 구비된 연료분사장치를 통하여 운전조건에 관계없이 배기관을 향해 연료를 분사하여 배기가스를 승온할 수 있으므로, 운전성 향상에 기여할 수 있는 효과가 있다.
또한, 강화 배기규제의 경우, 린낙스트랩에서 SCR로 변경하여 규제를 대응하는 것이 일반적인데, 본 발명의 LNT 시스템이 적용될 경우, SCR 시스템에 비하여 원가적인 측면에서 유리하고, SCR과 유사한 NOx 정화성능을 발휘할 수 있는 효과가 있다.
또한, 다양한 운전영역에서의 EM(에미션; 배기가스)규제 대응에 유리해지는 효과가 있다.
도 1은 LNT의 온도와 NOx 정화율 그래프,
도 2는 배기규제 모드별, 엔진속도와 제동평균유효압력을 비교하기 위한 그래프,
도 3은 배기규제 모드별, LNT의 전단 온도와 배포속도를 비교하기 위한 그래프,
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템의 개요도,
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템의 개요도,
도 6은 본 발명의 제1 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템의 DPF 전단 온도를 나타낸 그래프,
도 7은 본 발명의 제1 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템의 DPF 재싱시의 온도를 나타낸 그래프,
도 8은 종래 기술과 본 발명의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템의 정화율 비교표이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러가지 상이한 형태로 구현할 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템의 개요도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템은, 제1 린낙스트랩(110)이 구비된 클로즈 커플드 후처리장치(100)와, 클로즈 커플드 후처리장치(100)가 구비된 배기관(E) 후단에 구비되되, 제2 린낙스트랩(210)이 구비된 언더 플로우 후처리장치(200)와, 클로즈 커플드 후처리장치(100)와 언더 플로우 후처리장치(200) 사이에 위치되도록 배기관(E)에 구비된 연료분사장치(300)를 포함한다.
클로즈 커플드 후처리장치(100)는 엔진(E/G)과 연결된 배기관(E) 전단에 설치되며, 배기관(E)이 연결된 엔진(E/G)과 제1 린낙스트랩(110) 사이에 제1 온도센서(120)와 제1 람다센서(130)가 구비된다.
언더 플로우 후처리장치(200)는 엔진(E/G)과 연결된 배기관(E) 후단에 설치되며, 연료분사장치(300)와 제2 린낙스트랩(210) 사이에 제2 온도센서(220)와 제2 람다센서(230)가 구비된다. 또한, 언더 플로우 후처리장치(200)는 배기관(E)에 구비된 DPF(211) 및 DPF(211) 후단에 구비된 제3 람다센서(240)를 포함한다.
본 발명의 제1 실시예에서, DPF(211)는 다기공이 형성된 형상이며, 제2 린낙스트랩(210)과 일체로 형성된다.
도 5는 본 발명의 제2 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템의 개요도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템은, 제1 린낙스트랩(110)이 구비된 클로즈 커플드 후처리장치(100)와, 클로즈 커플드 후처리장치(100)가 구비된 배기관(E) 후단에 구비되되, 제2 린낙스트랩(210)이 구비된 언더 플로우 후처리장치(200)와, 클로즈 커플드 후처리장치(100)와 언더 플로우 후처리장치(200) 사이에 위치되도록 배기관(E)에 구비된 연료분사장치(300)를 포함하며, 클로즈 커플드 후처리장치(100)에 구비된 DPF(211)가 제2 린낙스트랩(210) 후단에 위치되며, 제2 린낙스트랩(210)과 DPF(211) 사이에 제3 온도센서(250)가 구비되며, DPF(211) 후단에 제3 람다센서(240)가 구비된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 실시예는 제1 실시예와 동일하게, 배기관(E)이 연결된 엔진(E/G)과 제1 린낙스트랩(110) 사이에 제1 온도센서(120)와 제1 람다센서(130)가 구비되며, 연료분사장치(300)와 제2 린낙스트랩(210) 사이에 제2 온도센서(220)와 제2 람다센서(230)가 구비된다.
제1 린낙스트랩(110)과 제2 린낙스트랩(210)에 유입되는 배기온도가 섭씨 50도 내지 섭씨 100도 정도 차이가 발생 된다.
위와 같이 구성되는 본 발명의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템은, 연료분사장치(300)의 연료분사량을 조절함으로써, 언더 플로어 후처리장치에 구비된 제2 린낙스트랩(210)과 DPF(211)의 DeNOx, DePM, DeSOx의 진행을 제어하게 된다.
또한, 언더 플로어 후처리장치에 제2 린낙스트랩(210)이 구비됨으로, 클로즈 커플드 후처리장치(100)에 구비된 제1 린낙스트랩(110)이 고온에 노출되더라도, 제2 린낙스트랩(210)은 NOx를 흡장하기 유리한 조건이 되므로, 전체적인 NOx 정화성능이 향상된다.
따라서, 배기온도가, 제1 온도센서(120) 기준 섭씨 350도 이하인, 저온일 경우에는 제1 린낙스트랩(110)에서 NOx를 흡장하고, 연료분사량이 농후(RICH)해 지도록 엔진(E/G)에서 후분사를 하여 제1 린낙스트랩(110)에 흡장된 NOx를 정화하게 된다.
또한, 배기온도가, 제1 온도센서(120) 기준 섭씨 350도를 초과한, 고온일 경우에는 제1 린낙스트랩(110) 및 제2 린낙스트랩(210)에서 NOx를 흡장하고, 제1 린낙스트랩(110)에 흡장된 NOx는 엔진(E/G) 후분사를 통해 정화되며, 제2 린낙스트랩(210)에 흡장된 NOx는 배기관(E)에 구비된 연료분사장치(300)에서 분사되는 연료를 통해 정화된다.
그러므로, 종래 LNT 시스템에 비하여, 제1 린낙스트랩(110)과 제2 린낙스트랩(210)이 구비되므로 NOx 저장량이 증대되며, 제1 린낙스트랩(110)으로 유입되는 배기가스에 비하여 온도가 섭씨 50도 내지 섭씨 100도가 낮은 위치에 제2 린낙스트랩(210)이 구비됨으로써 LNT 시스템의 작동 온도가 확대된다.
만일, 클로즈 커플드 후처리장치(100)와 언더 플로우 후처리장치(200) 사이에 연료분사장치(300)가 구비되지 않는다면, DPF(211) 재생시 DPF(211)를 재생하기 위해 엔진(E/G)에서 농후한 후분사가 발생되며, 이로 인하여 제1 린낙스트랩(110)이 고온에 노출되어 열적 데미지를 받게 되며, 그로 인하여 NOx흡장과 NOx정화율이 크게 감소될 것이다.
또한, 제1 온도센서(120)로 측정된 배기가스의 온도가 섭씨 400도 이상의 고온인 경우, 제1 린낙스트랩(110)의 NOx 저장능력 또한 크게 악화되며, 제2 린낙스트랩(210)에 흡장된 NOx를 정화하기 위한 엔진(E/G)에서의 농후한 후분사가 발생되므로, 제2 린낙스트랩(210)이 고온에 노출될 것이다.
그러므로, 클로즈 커플드 후처리장치(100)와 언더 플로우 후처리장치(200) 사이에 연료분사장치(300)가 구비되는 것은 제1 린낙스트랩(110)과 제2 린낙스트랩(210)이 조합됨으로써, 넓은 범위의 배기가스 온도에서 많은 양의 NOx를 흡장하고 정화하기 위한 본 발명에 있어서 꼭 필요한 구성이다.
이를 좀더 자세히 도 6 내지 도 8을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
도 6은 배기관(E)에 제1 린낙스트랩(110) 전단 배기온도와, 일체로 형성된 제2 린낙스트랩(210)과 DPF(211)의 전단 배기온도를 도시한 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 린낙스트랩(110) 전단 배기온도와, 일체로 형성된 제2 린낙스트랩(210)과 DPF(211)의 전단 배기온도는 차량이 시속 100 킬로미터 내지 시속 120 킬로미터로 주행하는 조건에서 대략 섭씨 70도의 차이를 갖는다.
제1 린낙스트랩(110) 전단 배기온도가 섭씨 400도인 경우에, 일체로 형성된 제2 린낙스트랩(210)과 DPF(211)의 전단 배기온도는 섭씨 330도이다.
따라서, 제1 린낙스트랩(110)이 고온에 노출될 경우, 제2 린낙스트랩(210)은 NOx를 흡장 및 정화하기에 유리한 조건이 되며, 종래 배기관(E) 전단에 구비되던 LNT 시스템에 비하여 더 효과적으로 NOx를 정화하게 된다.
도 7은 제1 린낙스트랩(110)과, 일체로 형성된 제2 린낙스트랩(210)과 DPF(211)가 배기관(E)에 구비되되, 클로즈 커플드 후처리장치(100)와 언더 플로우 후처리장치(200) 사이에 연료분사장치(300)가 구비되지 않은 경우의 DPF(211) 재생 시의 각 부분의 온도를 나타낸 것이다.
차량이 시속 50 킬로미터로 주행하는 정상 주행 조건에서, 일체로 형성된 제2 린낙스트랩(210)과 DPF(211) 전단의 배기온도를 섭씨 600도 내지 섭씨 650도로 유지하여야만, 일체로 형성된 제2 린낙스트랩(210)과 DPF(211)에 포집된 SOOT가 효과적으로 연소 되기 때문에, 엔진(E/G) 연료 후분사를 통해서 배기가스 온도를 승온 시키게 되는데, 이러한 경우, 제1 린낙스트랩(110)의 내부온도가 섭씨 800도까지 상승하게 된다.
이때, 제1 린낙스트랩(110)의 전단 온도가 섭씨 900도 이상 상승하게 되어, 제1 린낙스트랩(110)이 고온에 노출되어 NOx 흡장 및 정화 성능이 급격히 감소하게 된다.
따라서, 본 발명의 제2 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템을 적용할 경우에는 제2 린낙스트랩(210) 전단에 연료분사장치(300)를 구비하고, 제2 린낙스트랩(210) 전단에 구비된 연료분사장치(300)를 통해 DPF(211) 재생에 필요한 연료를 분사하여 제1 린낙스트랩(110)이 과열되는 것을 방지함과 동시에 열로부터 보호해야 한다.
도 8은 종래 배기관(E) 전단에 LNT가 구비되고, 배기관(E) 후단에 DPF(211)가 구비된 LNT 시스템과, 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예의 NOx 정화율을 비교한 도표이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 종래 LNT 시스템은 60%의 NOx 정화율을 발생시켜, 발생 NOx의 양을 a라 했을 때, 최종 0.4a의 NOx를 대기로 방출하였으나, 본 발명의 제1 실시예 및 제2 실시예의 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템은 60%의 NOx 정화율을 갖는 제1 린낙스트랩(110) 및 제2 린낙스트랩(210)이 조합됨으로써, 최종 0.16a의 NOx를 대기로 방출하게 되므로, NOx 정화율이 종래에 비하여 24% 증가 된다.
특히, 고온이 많은 WLTC, RDE, ARTEMIS의 경우 NOx 정화율이 더 크게 개선될 것으로 예상된다.
100: 클로즈 커플드 후처리장치 110: 제1 린낙스트랩
120: 제1 온도센서 130: 제1 람다센서
200: 언더 플로우 후처리장치 210: 제2 린낙스트랩
211: DPF 220: 제2 온도센서
230: 제2 람다센서 240: 제3 람다센서
250: 제3 온도센서 300: 연료분사장치
E/G: 엔진 E: 배기관

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  9. 클로즈 커플드 후처리장치(100)에 구비된 제1 온도센서(120)로 측정된 배기가스의 온도가 섭씨 350도 이하인 경우,
    상기 클로즈 커플드 후처리장치(100)에 구비된 제1 린낙스트랩(110)에서 NOx를 흡장하고,
    엔진(E/G)에서 후분사를 하여 상기 제1 린낙스트랩(110)에 흡장된 NOx를 정화하는 것을 특징으로 하는 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템을 이용한 배기가스 후처리 방법에 있어서,
    상기 제1 온도센서(120)로 측정된 배기가스의 온도가 섭씨 350도를 초과한 경우,
    상기 제1 린낙스트랩(110) 및 언더 플로우 후처리장치(200)에 구비된 제2 린낙스트랩(210)에서 NOx를 흡장하고,
    상기 제1 린낙스트랩(110)에 흡장된 Nox는 엔진(E/G)의 후분사를 통해 정화되며,
    상기 제2 린낙스트랩(210)에 흡장된 NOx는 배기관(E)에 구비된 연료분사장치(300)에서 분사되는 연료를 통해 정화되는 것을 특징으로 하는 작동온도 영역이 확대된 LNT 시스템을 이용한 배기가스 후처리 방법.
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