KR101664702B1 - Scr 시스템의 요소 분사 제어방법 - Google Patents

Scr 시스템의 요소 분사 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법은 도징모듈이 실험 듀티값으로 SCR촉매에 요소를 분사하는 단계; 분사단계 후, SCR촉매 후단에 마련된 NOx센서를 통해 NOx양과 암모니아양을 감지하는 단계; 감지된 NOx양 및 암모니아양에 기반하여 요소분사량을 산출하는 단계; 및 요소분사량에 따라 도징모듈의 듀티값을 보정하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

SCR 시스템의 요소 분사 제어방법 {Control method for UREA injection of SCR system}
본 발명은 SCR 시스템의 도징모듈 노후화에 따른 요소분사량 오차를 보완하기 위한 제어방법에 관한 것이다.
디젤 엔진에서 발생하는 질소산화물(NOx)을 효과적으로 저감할 수 있는 고효율 요소 첨가 선택적 촉매 반응 시스템(Urea-SCR:Urea-Selective Catalytic Reduction)에 대한 관심이 증가하고 있다.
이러한 SCR 시스템은 질소산화물(NOx)과 암모니아(NH3)의 반응을 이용한 기술로써 요소(UREA)를 SCR촉매에 분사하면 열/가수 분해 작용에 의해 암모니아(NH3)로 변환된다. 변환된 암모니아(NH3)와 질소 산화물(NOx)이 SCR 촉매에서 화학반응을 하여 환경과 인간에 무해한 물과 질소로 변환된다.
여기서, 도징모듈은 암모니아수를 배기관 내에 분사하는 역할을 수행하여 SCR 촉매 상에서 배기가스의 질소화합물이 산화/환원 반응에 의해 질소와 물(H20)로 변환되도록 한다.
이때, 요소 분사량은 얼마동안 전류를 도징모듈에 인가하는지에 따라서 결정된다. 도징모듈의 하드웨어적인 분사량 기준값은 개발시 결정될 수 있다. 하지만, 도징모듈은 사용함에 따라 열화 및 반복 작동 등에 의하여 요소분사량 기준값보다 적거나, 과다하게 요소(UREA)를 분사하게 되어 의도한 기준을 만족하지 못하는 상태가 될 수 있다. 만약 기준값보다 적은 요소가 분사될 시 배출가스 법규를 불만족하게 되며, 과다하게 분사될 시에는 화학반응되지 못한 요소가 머플러 후단으로 배출됨으로써 머플러에서 암모니아 냄새와 오염이 발생하는 문제점이 있었다.
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.
KR 0999622 B1
본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, SCR촉매 후단의 NOx양과 암모니아양을 통해 산출된 요소분사량에 기반하여 도징모듈의 듀티값을 보정함으로써 정확한 요소분사가 가능하도록 하는 제어방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법은 도징모듈이 실험 듀티값으로 SCR촉매에 요소를 분사하는 단계; 상기 분사단계 후, SCR촉매 후단에 마련된 NOx센서를 통해 NOx양과 암모니아양을 감지하는 단계; 상기 감지된 NOx양 및 암모니아양에 기반하여 요소분사량을 산출하는 단계; 및 상기 요소분사량에 따라 도징모듈의 듀티값을 보정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 산출단계 시. 요소분사량은 감지된 NOx양이 NOx기준값 이상일 경우 NOx양에 반비례하게 산출되고, 감지된 암모니아양이 암모니아 기준값 이상일 경우 암모니아양에 비례하게 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 보정단계 시, 듀티값은 산출된 요소분사량이 목표값보다 큰 경우, 요소분사량과 목표값의 차이에 따라 감소하고, 산출된 요소분사량이 목표값보다 작은 경우, 요소분사량과 목표값의 차이에 따라 증가하도록 보정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분사단계 전, NOx센서가 NOx양을 0으로 감지할 때까지 SCR촉매에 요소를 분사함으로써 NOx를 제거하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 제거단계가 완료된 시점부터 일정시간이 경과할 시, 상기 분사단계를 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제거단계 후, 차량이 정차상태인지 판단하는 단계;를 더 포함하고, 상기 차량이 정차상태인 경우에만 상기 분사단계를 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 분사단계를 최초 실시한 경우부터 설정시간 동안은 감지단계를 실시한 다음, 다시 분사단계를 재실시하고, 상기 분사단계가 재실시될 때마다 도징모듈은 이전 분사단계보다 큰 실험 듀티값으로 요소를 분사하도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법에 따르면 도징모듈의 요소분사량이 기준값으로부터 과다하거나 부족해지는 것을 방지하여 질소산화물이 배출되거나 암모니아가 배출되어 공해가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 1차적으로 SCR촉매를 정화하고 일정시간 이후에 도징모듈이 요소를 분사하도록 함으로써 정확한 도징모듈 듀티값을 산출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 설정시간동안 요소분사 및 NOx센서 감지시점을 도시한 그래프이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법에 대하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템을 도시한 도면이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법을 도시한 순서도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, SCR 시스템의 요소 분사 제어방법은 도징모듈(1)이 실험 듀티값으로 SCR촉매(3)에 요소를 분사하는 단계(S120); 상기 분사단계(S120) 후, SCR촉매(3) 후단에 마련된 NOx센서(5)를 통해 NOx양과 암모니아양을 감지하는 단계(S130); 상기 감지된 NOx양 및 암모니아양에 기반하여 요소분사량을 산출하는 단계(S140); 및 상기 요소분사량에 따라 도징모듈(1)의 듀티값을 보정하는 단계(S150);를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, SCR 시스템은 엔진(7); 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)와 암모니아(NH3)의 환원반응을 통해 NOx를 정화하는 SCR촉매(3); 상기 SCR촉매(10)의 후단에서 NOx양을 센싱하는 NOx센서(5); 상기 NOx센서(5)로부터 NOx양을 수신하여 암모니아양을 산출하고, NOx양과 암모니아양에 기반하여 요소분사량을 산출하며, 요소분사량에 따라 도징모듈(1)의 듀티값을 보정제어하는 제어부(10);를 포함할 수 있다.
먼저 제어부(10)는 도징모듈(1)로부터 분사되는 요소의 양이 적절한지 판단하기 위해 도징모듈(1)이 임의로 설정된 실험 듀티값으로 요소를 분사하도록 제어한다. 이후 제어부(10)는 화학반응이 완료되는 지점인 SCR촉매(3) 후단에서 NOx센서(5)를 통해 잔존하는 NOx양과 암모니아양을 감지하여 요소분사량을 산출할 수 있다.
만약, 도징모듈(1)에 노후화가 발생하여 정상적인 요소분사가 불가하다면 산출되는 요소분사량은 기존의 목표량보다 적거나 과도하게 산출될 것이다. 따라서, 제어부(10)는 산출된 요소분사량에 기반하여 도징모듈(1)의 요소분사량을 정상화하기 위한 듀티값 보정을 실시함으로써 SCR 시스템을 정상화할 수 있다. 제어부(10)가 도징모듈(1)의 듀티값을 증가시키는 경우에는 도징모듈(1)로부터 분사되는 요소의 양이 증가할 것이고, 반대로 듀티값을 감소시키는 경우에는 도징모듈(1)로부터 분사되는 요소의 양이 감소될 것이다.
여기서 제어부(10)는 도징모듈(1)의 제어가 가능한 DCU(Dosing Control Unit)일 수 있다.
또한, 상기 NOx센서(5)는 NOx양을 바로 센싱할 수 있으나, 암모니아양은 별도의 계산과정을 거쳐 산출하여야 한다. 따라서, 제어부(10)는 NOx센서(5)로부터 NOx양 정보를 공급받아 NOx정화효율을 분석하고 기맵핑된 맵에 의하여 암모니아양을 도출해낼 수 있다. 구체적인 도출방식은 종래기술로서 다양하게 공지되어 있는바 생략하도록 하겠다.
상술한 바와 같이 도징모듈(1)의 듀티값을 적정하게 보정함으로써 요소(UREA) 과다 분사 또는 부족을 방지할 수 있으며, 이에 따라 암모니아(NH3) 발생으로 인한 악취와 오염 또는 질소산화물(NOx) 발생으로 인한 공해를 막을 수 있다.
한편, 상기 산출단계(S140) 시, 요소분사량은 감지된 NOx양이 NOx기준값 이상일 경우 NOx양에 반비례하게 산출되고, 감지된 암모니아양이 암모니아 기준값 이상일 경우 암모니아양에 비례하게 산출되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 제어부(10)는 실험듀티값에 따라 설정된 적정한 NOx기준값 및 암모니아 기준값을 SCR촉매(3) 후단의 NOx센서(5)로부터 측정된 NOx양 및 암모니아양과 비교함으로써 질소산화물과 암모니아가 SCR촉매(3) 후단에 잔존하는지 여부를 판단할 수 있다.
만약, NOx기준값보다 NOx양이 크다면 도징모듈(1)로부터 요소가 충분하게 분사되지 않아 질소산화물이 잔존하는 것인바 요소분사량이 기준보다 적게 산출될 것이다. 반대로 암모니아 기준값보다 암모니아양이 크다면 도징모듈(1)로부터 요소가 과다하게 분사되는 상황으로 암모니아가 잔존하는 것인바 요소분사량이 기준보다 크게 산출될 것이다.
이에 따라 보정단계(S150) 시, 듀티값은 산출된 요소분사량이 목표값보다 큰 경우, 요소분사량과 목표값의 차이에 따라 감소하고, 산출된 요소분사량이 목표값보다 작은 경우, 요소분사량과 목표값의 차이에 따라 증가하도록 보정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 목표값은 실험 듀티값에 따라 설정된 적정한 요소분사량일 수 있다. 상술했던 바와 같이 NOx양이 NOx기준값보다 큰 경우 산출된 요소분사량은 목표값보다 작을 것인바, 도징모듈(1)의 듀티값을 증가시켜 요소분사량을 적정하게 보정하여 질소산화물(NOx)이 정화되지 않는 것을 방지할 수 있다.
또 다른 예로, 암모니아양이 암모니아 기준값보다 큰 경우 산출된 요소분사량은 목표값보다 클 것인바, 도징모듈(1)의 듀티값을 감소시킴으로써 요소분사량이 적정하게 보정되어 암모니아(NH3)의 과도한 발생을 방지할 수 있다.
한편, 본 제안은 분사단계(S120) 전, NOx센서(5)가 NOx양을 0으로 감지할 때까지 SCR촉매(5)에 요소를 분사함으로써 NOx를 제거하는 단계(S100)를 더 포함할 수 있다.
즉, 도징모듈(1)이 요소를 정확하게 분사하는지 판단하기 위해서는 SCR촉매(5) 후단에 산화된 질소화합물(NOx)이 충분히 정화되어 제거될 필요가 있다. 제어부(10)는 NOx센서(5)로부터 감지된 NOx양을 이용하여
만약, NOx가 충분히 제거되지 않으면 제어부(10)가 산출해내는 도징모듈(1)의 요소분사량이 실제와 다르게 산출될 수 있다. 따라서, 1차적으로 도징모듈(1)이 SCR촉매(5)로 요소를 분사하는 제거단계(S100)를 수행하고, 이후에 분사단계(S120)를 실시함으로써 정밀한 도징모듈(1)의 요소분사량 산출 및 듀티값 보정을 실시할 수 있다.
아울러, 상기 제거단계(S100)가 완료된 시점부터 일정시간이 경과할 시, 상기 분사단계(S120)를 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다. 즉, 제거단계(S100)를 실시한 후 일정시간동안 SCR 시스템의 동작을 멈춤으로써 SCR 시스템을 안정화시킨 후 분사단계(S120)를 실시할 수 있다.
또한, 상기 제거단계(S100) 후, 차량이 정차상태인지 판단하는 단계(S110)를 더 포함하고, 상기 차량이 정차상태인 경우에만 상기 분사단계(S120)를 실시하는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 차량이 주행중인 경우에는 배기관 내부의 배기 유동이 일정하지 않은바 차량이 정차상태일 경우에만 SCR촉매(5) 후단의 NOx양과 암모니아양을 감지함으로써 일정한 조건에서 정확한 듀티값 보정을 수행할 수 있다.
상기 판단단계(S110) 시, 제어부(10)는 차속이 0이고, 엔진RPM이 아이들RPM 영역 내에 포함되며, 냉각수온도 및 외기온도가 각각 기설정된 정상온도영역내에 포함되는 경우에만 차량이 정차상태라고 판단할 수 있다. 상술한 아이들RPM영역과 기설정된 정상온도 영역은 차량 또는 설계자에 따라 가변되어 설정될 수 있다.
한편, 상기 분사단계(S120)를 최초 실시한 경우부터 설정시간 동안은 감지단계(S130)를 실시한 다음, 다시 분사단계(S120)를 재실시하고, 상기 분사단계(S120)가 재실시될 때마다 도징모듈(1)은 이전 분사단계보다 큰 실험듀티값으로 요소를 분사하도록 제어되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 설정시간 동안 서로 다른 실험듀티값으로 반복적으로 분사단계(S120) 및 감지단계(S130)를 실시하면 설정시간 이후 산출단계(S140)에서 복수의 요소분사량들을 산출할 수 있다. 이후 보정단계(S150) 시, 복수의 요소분사량들과 각각의 실험듀티값에 따른 목표값의 차이에 기반하여 도징모듈(1)의 듀티값을 보정할 수 있다.
일 예로, 도 3은 설정시간동안 요소분사 및 NOx센서 감지시점을 도시한 그래프이다. 도 3을 참조하면, 설정시간이 30초로 설정되면, 분사단계(S120)가 각각 2초, 12초, 22초에 실시되며, 감지단계(S130)는 10초, 20초, 30초 전에 실시된다. 그리고 30초 이후에 산출단계(S140)를 실시할 수 있다. 상술한 한정사항들은 일 실시 예를 위해 기재한 것일 뿐 차량 또는 설계자에 따라 가변되어 적용될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조로 이루어진 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법에 따르면 도징모듈의 요소분사량이 기준값으로부터 과다하거나 부족해지는 것을 방지하여 질소산화물이 배출되거나 암모니아가 배출되어 공해가 발생하는 것을 방지할 수 있다.
또한, 1차적으로 SCR촉매를 정화하고 일정시간 이후에 도징모듈이 요소를 분사하도록 함으로써 정확한 도징모듈 듀티값을 산출할 수 있다.
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.
1: 도징모듈 3: SCR촉매
5: NOx센서 7: 엔진
10: 제어부

Claims (7)

  1. 도징모듈이 실험 듀티값으로 SCR촉매에 요소를 분사하는 단계;
    상기 분사단계 후, SCR촉매 후단에 마련된 NOx센서를 통해 NOx양과 암모니아양을 감지하는 단계;
    상기 감지된 NOx양 및 암모니아양에 기반하여 요소분사량을 산출하는 단계; 및
    상기 요소분사량에 따라 도징모듈의 듀티값을 보정하는 단계;를 포함하고,
    상기 분사단계를 최초 실시한 경우부터 설정시간 동안은 감지단계를 실시한 다음, 다시 분사단계를 재실시하고, 상기 분사단계가 재실시될 때마다 도징모듈은 이전 분사단계보다 큰 실험 듀티값으로 요소를 분사하도록 제어되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 산출단계 시, 요소분사량은 감지된 NOx양이 NOx기준값 이상일 경우 NOx양에 반비례하게 산출되고, 감지된 암모니아양이 암모니아 기준값 이상일 경우 암모니아양에 비례하게 산출되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 보정단계 시, 듀티값은 산출된 요소분사량이 목표값보다 큰 경우, 요소분사량과 목표값의 차이에 따라 감소하고, 산출된 요소분사량이 목표값보다 작은 경우, 요소분사량과 목표값의 차이에 따라 증가하도록 보정되는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 분사단계 전, NOx센서가 NOx양을 0으로 감지할 때까지 SCR촉매에 요소를 분사함으로써 NOx를 제거하는 단계;를 더 포함하는 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제거단계가 완료된 시점부터 일정시간이 경과할 시, 상기 분사단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 제거단계 후, 차량이 정차상태인지 판단하는 단계;를 더 포함하고,
    상기 차량이 정차상태인 경우에만 상기 분사단계를 실시하는 것을 특징으로 하는 SCR 시스템의 요소 분사 제어방법.
  7. 삭제
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