KR101683488B1 - 린 녹스 트랩의 탈황 장치 및 방법 - Google Patents

린 녹스 트랩의 탈황 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 LNT의 탈황 중지 조건이 만족되더라도 설정된 상황 하에서는 탈황 모드에서 빠져 나오지 않고 다시 탈황을 진행하도록 함으로써 연비를 개선시키는 린 녹스 트랩의 탈황 장치 및 방법에 관한 것이다.
상기 LNT의 탈황 장치는 배기 정화 장치에 구비된 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)의 탈황을 제어한다. 상기 LNT는 연한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시키도록 되어 있다. 상기 배기 정화 장치는 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 수트로서 포집하고 재생 조건 만족 시 포집된 수트를 태워 재생되는 매연 필터와, 상기 LNT의 탈황과 상기 매연 필터의 재생을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다. 상기 제어기는 매연 필터의 재생 중 수트 재생양이 설정 재생양 이상이면 LNT의 탈황을 진행하고, LNT의 탈황 중 탈황 중지 조건을 만족하면 LNT 탈황을 중지시키며, 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이고 황 피독량이 설정 황 피독량 미만이면 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있다.

Description

린 녹스 트랩의 탈황 장치 및 방법{SYSTEM AND METHOD OF DEFULFURIZING LEAN NOx TRAP}
본 발명은 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)의 탈황 장치 및 방법에 관한 것으로, LNT의 탈황 중지 조건이 만족되더라도 설정된 상황 하에서는 탈황 모드에서 빠져 나오지 않고 다시 탈황을 진행하도록 함으로써 연비를 개선시키는 린 녹스 트랩의 탈황 장치 및 방법에 관한 것이다.
일반적으로 엔진에서 배기 매니폴드를 통해 배출되는 배기 가스는 배기 파이프에 설치된 촉매 컨버터(Catalytic Converter)로 유도되어 정화되고, 머플러를 통과하면서 소음이 감쇄된 후 테일 파이프를 통해 대기 중으로 배출된다. 상기한 촉매 컨버터는 배기 가스에 포함되어 있는 오염물질을 정화한다. 그리고 배기 파이프 상에는 배기 가스에 포함된 입자상 물질(Particulate Matters: PM)을 포집하기 위한 매연 필터가 장착된다.
질소산화물 저감 촉매(Denitrification Catalyst; DeNOx Catalyst)는 배기가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 정화시키는 촉매 컨버터의 한 형식이다. 우레아(Urea), 암모니아(Ammonia), 일산화탄소 및 탄화수소(Hydrocarbon; HC) 등과 같은 환원제를 배기 가스에 제공하면 질소산화물 저감 촉매에서는 배기 가스에 포함된 질소산화물이 상기 환원제와의 산화-환원 반응을 통해 환원되게 된다.
최근에는, 이러한 질소산화물 저감 촉매로 LNT(Lean NOx Trap)가 사용되고 있다. LNT는 엔진의 공연비가 1 이상인 희박(lean)한 분위기에서 작동되면 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡착하고, 엔진의 공연비가 1 이하인 농후(rich)한 분위기에서 작동되면 흡착된 질소산화물을 탈착하며, 탈착된 질소산화물과 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.
그러나, LNT에서 질소 산화물을 흡장하는 물질은 염기성이기 때문에 배기 가스에 포함된 질소산화물과 함께 황산화물(연료 또는 엔진 오일에 포함된 황 성분이 산화된 물질) 역시 흡착하게 된다. LNT 내 황 성분의 피독은 LNT의 정화 효율을 떨어뜨리게 된다. 이에 따라, LNT의 탈황 과정이 필요하다.
종래의 LNT의 탈황 방법에 따르면, LNT에 피독되는 황산화물의 양이 설정된 양 이상이 되면 엔진을 탈황 모드로 제어하여 LNT에 피독된 황산화물을 탈착시킨다. 그런데, 탈황을 진행하는 도중 운전 조건이 변경되어 탈황을 계속 진행하기 어려운 경우, 예를 들어 차량이 감속하거나 도로가 혼잡한 경우, 탈황을 중지하고 일반 운전 모드로 돌아간다. 이 상태에서, 탈황이 가능한 운전 조건을 만족하면, 다시 배기 가스의 온도를 상승시킨 후 탈황 모드에 진입한다.
또한, 매연 필터 재생 후 바로 탈황 모드로 진입하도록 된 경우에는 탈황 모드 진입을 위하여 매연 필터의 재생 모드에 진입하여 매연 필터의 재생을 다시 진행한 후 탈황 모드에 진입한다. 즉, 탈황 중지 조건이 만족되면 무조건 탈황 모드에서 빠져 나온 후 재차 탈황 모드에 진입하지 못하고, 매연 필터의 재생 모드를 다시 거친 후 탈황 모드에 진입하였다. 이에 따라, 연비가 악화되고 엔진이 파손될 수 있으며 매연 필터 재생 시 분사되는 요소의 소모량이 급격히 증가하는 문제점이 있었다.
특허문헌1: 공개특허공보 제10-2013-0017957호 특허문헌2: 등록특허공보 제10-090687호
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, LNT 탈황 중지 조건이 만족되더라도 설정된 상황 하에서는 탈황 모드에서 빠져 나오지 않고 다시 탈황을 진행하도록 함으로써 연비를 개선시킬 수 있는 LNT의 탈황 장치 및 방법을 제공하는 것이다. 따라서, 반복된 탈황 모드 진입 또는 매연 필터 재생 모드로 재 진입 후 탈황 모드 진입 등으로 인한 연비 악화를 방지하고, 탈황 모드에 의한 LNT 촉매의 열화를 방지할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 장치는 배기 정화 장치에 구비된 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)의 탈황을 제어한다.
상기 LNT는 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시키도록 되어 있다.
상기 배기 정화 장치는 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 수트로서 포집하고 재생 조건 만족 시 포집된 수트를 태워 재생되는 매연 필터와, 상기 LNT의 탈황과 상기 매연 필터의 재생을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
상기 제어기는 매연 필터의 재생 중 수트 재생양이 설정 재생양 이상이면 LNT의 탈황을 진행하고, LNT의 탈황 중 탈황 중지 조건을 만족하면 LNT 탈황을 중지시키며, 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이고 황 피독량이 설정 황 피독량 미만이면 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비를 할 수 있다.
상기 제어기는 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비한 후 LNT의 탈황이 가능하면 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있다.
상기 제어기는 매연 필터의 재생을 다시 진행하기 전에 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송할 수 있다.
상기 제어기는 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 미만이면, 탈황과 매연 필터의 재생을 완전히 종료하고 일반 운전 모드로 진입할 수 있다.
상기 제어기는 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이고, 황 피독량이 설정 황 피독량 이상이며, NOx 정화율이 설정 NOx 정화율을 초과하면 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비할 수 있다.
상기 제어기는 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비한 후 LNT의 탈황이 가능하면 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있다.
상기 제어기는 매연 필터의 재생을 다시 진행하기 전에 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송할 수 있다.
상기 제어기는 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이고, 황 피독량이 설정 황 피독량 이상이며, NOx 정화율이 설정 NOx 정화율 이하이면 서비스 센터에 방문을 권고하는 제2경고를 발송할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법은 매연 필터를 재생하는 단계; 매연 필터의 수트 재생양이 설정 재생양 이상인지를 판단하는 단계; 매연 필터의 수트 재생양이 설정 재생양 이상이면, LNT의 탈황을 진행하는 단계; LNT 탈황 중지 조건을 만족하는지 판단하는 단계; LNT 탈황 중지 조건을 만족하면, LNT 탈황을 중지하는 단계; 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상인지를 판단하는 단계; 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이면, 황 피독량이 설정 황 피독량 미만인지를 판단하는 단계; 그리고 황 피독량이 설정 황 피독량 미만이면, 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비하는 단계;를 포함할 수 있다.
매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비한 후 LNT의 탈황이 가능하면, 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있다.
상기 탈황 방법은 매연 필터의 재생을 다시 진행하기 전에 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탈황 방법은 탈황 중지 횟수가 설정값 미만이면, 일반 운전 모드에 진입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 탈황 방법은 황 피독량이 설정 황 피독량 이상이면, NOx 정화율이 설정 NOx 정화율을 초과하는지 판단하는 단계; 그리고 NOx 정화율이 설정 NOx 정화율을 초과하면, 서비스 센터에 방문을 권하는 제2경고를 발송하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
상기 탈황 방법은 NOx 정화율이 설정 NOx 정화율 이하이면, 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비하는 단계를 더 포함할 수 있다.
매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비한 후 LNT의 탈황이 가능하면, 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있다.
상기 탈황 방법은 매연 필터의 재생을 다시 진행하기 전에 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 빈번한 운전 모드 전환을 방지함으로써 연비를 향상시킬 수 있다.
또한, 탈황 제어 로직을 간략화함으로써 제어기의 메모리를 축소할 수 있다.
더 나아가, 운전자가 탈황 운전을 하도록 유도하거나 서비스 센터 방문을 권고함으로써 엔진의 파손을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 장치가 적용될 수 있는 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법에 사용되는 제어기에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법의 흐름도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 장치가 적용될 수 있는 배기 가스 정화 장치를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 내연 기관의 배기 장치는 엔진(10), 배기 파이프(20), 배기 가스 재순환(Exhaust Gas Recirculation; EGR) 장치(30), 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)(40), 분사 모듈(50), 매연 필터(Particulate Filter)(60), 그리고 제어기(70)를 포함한다.
엔진(10)은 연료와 공기가 혼합된 혼합기를 연소시켜 화학적 에너지를 기계적 에너지로 변환한다. 엔진(10)은 흡기 매니폴드(16)에 연결되어 연소실(12) 내부로 공기를 유입받으며, 연소 과정에서 발생된 배기 가스는 배기 매니폴드(18)에 모인 후 엔진 밖으로 배출되게 된다. 상기 연소실(12)에는 인젝터(14)가 장착되어 연료를 연소실(12) 내부로 분사한다.
여기에서는 디젤 엔진을 예시하였으나 희박 연소(lean burn) 가솔린 엔진을 사용할 수도 있다. 가솔린 엔진을 사용하는 경우, 흡기 매니폴드(16)를 통하여 혼합기가 연소실(12) 내부로 유입되며, 연소실(12) 상부에는 점화를 위한 점화플러그(도시하지 않음)가 장착된다. 또한, 가솔린 직접 분사(Gasoline Direct Injection; GDI) 엔진을 사용하는 경우, 디젤 엔진과 마찬가지로 인젝터(14)가 연소실(12)의 상부에 장착된다.
또한, 다양한 압축비, 바람직하게는 16.5 이하의 압축비를 가지는 엔진이 사용될 수 있다.
배기 파이프(20)는 상기 배기 매니폴드(18)에 연결되어 배기 가스를 차량의 외부로 배출시킨다. 상기 배기 파이프(20) 상에는 LNT(40), 분사 모듈(50) 및 매연 필터(60)가 장착되어 배기 가스 내 포함된 탄화수소, 일산화탄소, 입자상 물질 그리고 질소산화물 등을 제거한다.
배기 가스 재순환 장치(30)는 배기 파이프(20) 상에 장착되어 엔진(10)에서 배출되는 배기 가스 일부를 상기 배기 가스 재순환 장치(30)를 통해 엔진(10)에 재공급한다. 또한, 상기 배기 가스 재순환 장치(30)는 상기 흡기 매니폴드(16)에 연결되어 배기 가스의 일부를 공기에 섞어 연소 온도를 제어한다. 이러한 연소 온도의 제어는 제어기(70)의 제어에 의하여 흡기 매니폴드(16)에 공급되는 배기 가스의 양을 조절함으로써 수행된다. 따라서, 배기 가스 재순환 장치(30)와 흡기 매니폴드(16)를 연결하는 라인 상에는 제어기(70)에 의하여 제어되는 재순환 밸브(도시하지 않음)가 장착될 수 있다.
상기 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1산소 센서(72)가 장착되어 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 상기 제어기(70)에 전달함으로써 상기 제어기(70)가 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 본 명세서에서는 상기 제1산소 센서(72)의 측정값을 LNT 전단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.
또한, 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에는 제1온도 센서(74)가 장착되어 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 검출한다.
LNT(40)는 상기 배기 가스 재순환 장치(30)의 후방 배기 파이프(20)에 장착되어 있다. 상기 LNT(40)는 연한(lean) 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후한(rich) 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시킨다. 또한, LNT(40)는 배기 가스에 포함된 일산화탄소(CO) 및 탄화수소(HC)를 산화시킨다.
여기에서, 탄화수소는 배기 가스와 연료에 포함된 탄소와 수소로 구성된 화합물을 모두 지칭하는 것으로 이해하여야 할 것이다.
상기 LNT(40)의 후방 배기 파이프(20)에는 제2산소 센서(76), 제2온도 센서(78) 및 제1NOx 센서(80)가 장착되어 있다.
상기 제2산소 센서(76)는 상기 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제1산소 센서(72)와 제2산소 센서(76)의 검출값을 기초로 상기 제어기(70)는 배기 가스의 린/리치 제어를 수행할 수 있다. 본 명세서에서 상기 제2산소 센서(62)의 측정값을 필터 전단의 공연비(lambda)라고 칭하기로 한다.
제2온도 센서(78)는 상기 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제1NOx 센서(80)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 NOx 양을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제1NOx 센서(80)에서 측정된 NOx 양은 상기 분사 모듈(50)에서 분사할 환원제의 양을 결정하는데 사용될 수 있다.
분사 모듈(50)은 상기 매연 필터(60)의 전단 배기 파이프(20)에 장착되어 있으며, 제어기(70)에 의하여 제어되어 환원제를 배기 가스에 분사한다. 통상적으로, 분사 모듈(50)은 요소를 분사하며, 분사된 요소는 가수분해에 의하여 암모니아로 변환된다. 그러나, 환원제는 암모니아에 한정되지는 않는다. 이하에서는 설명의 편의상 환원제로 암모니아를 사용하고 분사 모듈(50)에서 요소를 분사하는 것을 예시한다. 그러나, 본 발명의 기술적 사상 내에서 암모니아 이외의 환원제를 사용하는 것도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 이해되어야 할 것이다.
상기 분사 모듈(50)의 후단 배기 파이프(20)에는 믹서(55)가 장착되어 환원제를 배기 가스에 골고루 혼합시킨다.
매연 필터(60)는 믹서(55)의 후단 배기 파이프에 장착되어 있으며, 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하고, 상기 분사 모듈(50)에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원한다. 이러한 목적을 위하여, 상기 매연 필터(60)는 선택적 환원 촉매가 코팅된 디젤 매연 필터(Selective Catalytic Reduction on Diesel Particulate Filter; SDPF)(62)와 추가적인 선택적 환원 촉매(SCR)(64)를 포함한다.
SDPF(62)는 DPF의 채널을 구성하는 격벽에 SCR이 코팅되어 있다. 통상적으로 DPF는 복수개의 입구 채널과 출구 채널을 포함한다. 입구 채널은 그 일단이 개구되고 그 타단이 막혀 있어 DPF의 전단으로부터 배기 가스를 유입받는다. 또한, 출구 채널은 그 일단이 막혀 있고 그 타단이 개구되어 DPF 내부의 배기 가스를 배출한다. 입구 채널을 통해 DPF에 유입된 배기 가스는 입구 채널과 출구 채널을 분할하는 다공성의 격벽을 통해 출구 채널로 들어간 후, 출구 채널을 통해 DPF로부터 배출된다. 배기 가스가 다공성의 격벽을 통과하는 과정에서 배기 가스에 포함된 입자상 물질이 포집된다. 또한, SDPF(62)에 코팅된 SCR은 분사 모듈(50)에서 분사된 환원제를 이용하여 배기 가스에 포함된 질소산화물을 환원시킨다.
추가적인 SCR(64)은 상기 SDPF(62)의 후단에 장착된다. 추가적인 SCR(64)은 상기 SDPF(62)에서 질소산화물이 완벽하게 정화되지 못하는 경우, 질소산화물을 추가적으로 환원시킨다.
한편, 상기 배기 파이프(20)에는 차압센서(66)가 장착되어 있다. 차압센서(66)는 상기 매연 필터(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제어기(70)는 상기 차압센서(66)에서 측정된 압력 차이가 설정 압력 이상인 경우 상기 매연 필터(60)를 재생하도록 제어할 수 있다. 이 경우, 인젝터(14)에서 연료를 후분사함으로써 매연 필터(60) 내부에 포집된 입자상 물질을 연소시킬 수 있다.
또한, 상기 매연 필터(60)의 후단 배기 파이프(20)에는 제2NOx 센서(82)가 장착된다. 상기 제2NOx 센서(82)는 매연 필터(60)로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다. 제어기(70)는 제2NOx 센서(82)의 검출값을 기초로 매연 필터(60)가 배기 가스에 포함된 질소산화물을 정상적으로 제거하고 있는지 모니터링 할 수 있다. 즉, 제2NOx 센서(82)는 매연 필터(60)의 성능을 평가하기 위하여 사용될 수 있다.
제어기(70)는 각 센서들에서 검출된 신호들을 기초로 엔진의 운전 조건을 판단하고, 상기 엔진의 운전 조건을 기초로 린/리치 제어 및 분사 모듈(50)에서 분사되는 환원제의 양을 제어한다. 일 예로, 제어기(70)는 배기 가스의 온도가 천이 온도 미만인 경우 린/리치 제어를 통하여 LNT(40)에서 질소산화물을 제거하도록 하고, 배기 가스의 온도가 천이 온도 이상인 경우 환원제 분사를 통하여 매연 필터(60)에서 질소산화물을 제거하도록 할 수 있다. 린/리치 제어는 인젝터(14)에서 분사되는 연료의 양을 조절함으로써 수행될 수 있다.
한편, 상기 제어기(70)는 엔진 운전 조건을 기초로 SPDF(62)의 내부 온도, SDPF(62)에 흡장된 암모니아 양, 탈황시 LNT(40) 후단 NOx 배출량 및 매연 필터(60) 재생시 LNT(40) 후단 NOx 배출양 등을 계산한다. 이러한 목적을 위하여, 상기 제어기(70)에는 매연 필터(60) 내부 온도에 따른 암모니아 흡장/산화 특성, 매연 필터(60) 내부 온도에 따른 암모니아 탈착 특성, 농후한 분위기에서 LNT(40)의 NOx 슬립 특성 등이 저장되어 있다. 상기 매연 필터(60) 내부 온도에 따른 암모니아 흡장/산화 특성, 매연 필터(60) 내부 온도에 따른 암모니아 탈착 특성, 농후한 분위기에서 LNT(40)의 NOx 슬립 특성 등은 수많은 실험에 의하여 맵으로 정해질 수 있다.
또한, 상기 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생과 LNT(40)의 탈황을 진행한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법에 사용되는 제어기에서 입력과 출력 관계를 도시한 블록도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 제1산소 센서(72), 제1온도 센서(74), 제2산소 센서(76), 제2온도 센서(78), 제1NOx 센서(80), 제2NOx 센서(82), 그리고 차압 센서(66)는 제어기(70)에 전기적으로 연결되어 있으며 검출한 값들을 제어기(70)에 전달한다.
제1산소 센서(72)는 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스 내의 산소량을 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다. 상기 제어기(70)가 상기 제1산소 센서(72)에서 검출된 배기 가스 내의 산소량을 기초로 배기 가스의 린/리치 제어(lean/rich control)를 수행하는 것을 돕도록 할 수 있다. 제1산소 센서(72)에서 검출된 값은 람다(λ)로 표시될 수 있다. 람다는 이론 공기량에 대한 실제 공기량의 비를 나타내며, 람다가 1을 초과하면 희박한 분위기로 보고, 람다가 1 미만이면 농후한 분위기로 본다.
제1온도 센서(74)는 배기 가스 재순환 장치(30)를 통과한 배기 가스의 온도를 검출하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
상기 제2산소 센서(76)는 상기 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 산소량을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제2온도 센서(78)는 상기 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스의 온도를 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제1NOx 센서(80)는 매연 필터(60)에 유입되는 배기 가스에 포함된 NOx 양을 측정하여 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
상기 제2NOx 센서(82)는 매연 필터(60)로부터 배출된 배기 가스에 포함된 질소산화물의 양을 검출하고, 이에 대한 신호를 제어기(70)에 전달한다.
차압센서(66)는 상기 매연 필터(60)의 전단부와 후단부의 압력 차이를 측정하고 이에 대한 신호를 상기 제어기(70)에 전달한다.
제어기(70)는 상기 전달된 값들을 기초로 엔진 운전 조건, 연료 분사량, 연료 분사 시기, 연료 분사 패턴, 환원제 분사량, 매연 필터(60)의 재생 시기 및 LNT(40)의 탈황 시기를 결정하고, 인젝터(14) 및 분사 모듈(50)을 제어하기 위한 신호를 인젝터(14) 및 분사 모듈(50)에 출력한다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 배기 가스 정화 장치에는 도 2에 기재된 센서들 외에 다수의 센서들이 장착될 수 있으나, 설명의 편의를 위하여 생략한다.
이하, 도 3 및 도 4를 참조로, 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법의 흐름도이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법은 엔진(10)이 운전 중인 경우에 실행된다. 엔진(10)은 처음에는 일반 모드에서 운전되게 된다(S100). 여기서, 일반 모드란 매연 필터(60)의 재생 모드도 아니고 LNT(40)의 탈황 모드도 아닌 운전 모드를 의미한다.
엔진(10)이 일반 모드로 운전하고 있는 상태에서, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생 조건을 만족하는지 판단한다(S110). 즉, 차압 센서(66)의 검출된 압력 차이가 설정 압력 이상인지를 판단한다.
S110 단계에서 매연 필터(60)의 재생 조건이 만족되지 않으면, 제어기(70)는 S100 단계로 돌아가 엔진(10)을 일반 모드로 운전시킨다.
S110 단계에서 매연 필터(60)의 재생 조건이 만족되면, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생 모드에 진입한다(S120). 즉, 제어기(70)는 배기 가스를 재순환시키지 않고 인젝터(14)가 연료를 후분사하도록 제어함으로써 배기 가스의 온도를 상승시킨다. 이에 따라, 매연 필터(60)에 포집된 입자상 물질이 타게 된다.
제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생 중 매연 필터(60)의 재생 중지 조건이 만족되는지를 판단한다(S130). 즉, 제어기(70)는 차속이 감소되어 매연 필터(60)의 재생을 위해 필요한 온도까지 온도를 상승시킬 수 없는지를 판단한다.
S130 단계에서 매연 필터(60)의 재생 중지 조건이 만족되면, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생을 중지시키고(S200), 엔진(10)을 일반 모드로 운전시킨다(S100).
S130 단계에서 매연 필터(60)의 재생 중지 조건을 만족하지 않으면, 제어기(70)는 매연 필터(60)를 계속해서 재생시키며, 매연 필터(60)의 수트(입자상 물질) 재생양을 체크한다. 그 후, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 수트 재생양이 설정 재생양 이상인지를 판단한다(S140).
S140 단계에서 매연 필터(60)의 수트 재생양이 설정 재생양 미만이면, 제어기(70)는 S120 단계로 돌아간다.
S140 단계에서 매연 필터(60)의 수트 재생양이 설정 재생양 이상이면, 제어기(70)는 LNT 탈황 모드에 진입하여(S150) 매연 필터(60)의 재생과 LNT(40)의 탈황을 동시에 진행한다. LNT(40)의 탈황은 제어기(70)의 린/리치 제어를 통하여 수행된다.
그 후, 제어기(70)는 LNT(40)의 내부 온도가 제1설정 온도 이상인지를 판단한다(S160). LNT(40)의 내부 온도가 제1설정 온도 미만이면, 제어기(70)는 매연 필터(60)의 재생 모드로 다시 진입(S210)하여 매연 필터(60)의 재생을 다시 진행한다. 그 후, 제어기(70)는 LNT(40)의 내부 온도가 제2설정 온도 미만인지를 판단하고(S220), LNT(40)의 내부 온도가 제2설정 온도 이상이면 매연 필터(60)의 재생을 계속하고 LNT(40)의 내부 온도가 제2설정 온도 미만이면 LNT(40)의 탈황 모드에 다시 진입한다(S150).
한편, S160 단계에서 LNT(40)의 내부 온도가 제1설정 온도 이상이면, 제어기(70)는 LNT(40)의 탈황을 계속 진행하며, LNT(40)의 탈황 중지 조건을 만족하는지를 판단한다(S170). 즉, 제어기(70)는 차속이 감소되어 LNT(40)의 탈황을 위해 필요한 온도까지 온도를 상승시킬 수 없는지를 판단한다. 또한, 상기 탈황 중지 조건은 운전 상태 변동에 의하여 탈황을 유지하기 힘든 어떠한 조건도 포함할 수 있다.
S170 단계에서 LNT(40)의 탈황 중지 조건을 만족하지 않으면, 제어기(70)는 LNT(40)의 탈황을 계속하여 수행하며, 탈황양이 설정 탈황양 이상인지를 판단한다(S180).
S180 단계에서 탈황양이 설정 탈황양 미만이면, 제어기(70)는 S150 단계로 돌아간다.
S180 단계에서 탈황양이 설정 탈황양 이상이면, 제어기(70)는 탈황을 종료하고, 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법을 종료한다.
한편, S170 단계에서 탈황 중지 조건을 만족하면, 제어기(70)는 LNT(40)의 탈황을 중지시키고(S230), 탈화 중지 횟수를 누적한다(S240). 여기서, 탈황 중지 횟수는 이전에 탈황이 완료된 시점(즉, 탈황이 중지되지 않고 탈황이 완료된 시점)부터 현재까지 누적된 탈황 중지 횟수를 말한다. 또한, 만일 탈황이 완료되었으면, 탈황 중지 횟수는 '0'으로 리셋된다.
그 후, 제어기(70)는 탈황 중지 횟수가 설정값 미만인지를 판단한다(S250).
S250 단계에서 탈황 중지 횟수가 설정값 미만이면, 제어기(70)는 S100 단계로 돌아가 엔진(10)을 일반 모드로 운전시킨다.
S250 단계에서 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이면, 제어기(70)는 LNT(40)에 피독된 황 피독량이 설정 황 피독량 미만인지를 판단한다(S260).
S260 단계에서 LNT(40)에 피독된 황 피독량이 설정 황 피독량 미만이면, 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송하고(S270), 매연 필터(60)의 재생 모드에 다시 진입할 수 있도록 준비를 한다. 이 경우에는 LNT(40)의 탈황 모드에서 완전히 빠져 나오지 않고 매연 필터(60)의 재생 모드로 다시 진입할 수 있도록 준비를 함으로써 LNT(40)의 탈황이 가능하면 즉시 LNT(40)의 탈황 모드에 다시 진입하도록 한다. 또한, LNT(40)의 탈황이 잘 수행되도록, 운전자에게 탈황 운전을 권고하여 운전자가 차속을 올리도록 유도한다. 제1경고의 발송은 램프의 전등, 안내 문자의 발송, 안내 방송 등일 수 있다.
S260 단계에서 LNT(40)에 피독된 황 피독량이 설정 황 피독량 이상이면, 제어기(70)는 LNT(40)의 NOx 정화율이 설정 NOx 정화율을 초과하는지를 판단한다(S280).
S280 단계에서 LNT(40)의 NOx 정화율이 설정 NOx 정화율을 초과하면, 제어기(70)는 제1경고를 발송하고(S270) 매연 필터(60)의 재생 모드에 다시 진입할 수 있도록 준비를 한다.
S280 단계에서 LNT(40)의 NOx 정화율이 설정 NOx 정화율 이상이면, 제어기(70)는 서비스 센터에 방문을 권고하는 제2경고를 발송하고(S290), 본 발명의 실시예에 따른 LNT의 탈황 방법을 종료한다. 제1경고의 발송은 램프의 전등, 안내 문자의 발송, 안내 방송 등일 수 있다.
한편, S270 단계를 수행한 후, 제어기(70)는 현재의 운전 조건에서 탈황이 가능한지를 판단한다(S300). 즉, 현재의 운전 조건에서 배기 가스의 온도를 탈황이 가능한 온도까지 상승시킬 수 있는지를 판단한다.
S300 단계에서 현재의 운전 조건에서 탈황이 가능하지 않으면, 제어기(70)는 탈황이 가능한 운전 조건에 진입할 때까지 운전 조건을 계속 모니터링 한다. S300 단계에서 현재의 운전 조건에서 탈황이 가능하면, 제어기(70)는 즉시 매연 필터(60)의 재생 모드로 다시 진입하여(S120) 매연 필터(60)의 재생 및 LNT(40)의 탈황을 순차적으로 진행한다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (16)

  1. 배기 정화 장치에 구비된 린 녹스 트랩(Lean NOx Trap; LNT)의 탈황 장치에 있어서,
    상기 LNT는 공연비가 희박(lean)한 분위기에서 배기 가스에 포함된 질소산화물(NOx)을 흡장하고, 농후(rich)한 분위기에서 흡장된 질소산화물을 탈착하며 배기 가스에 포함된 질소산화물 또는 탈착된 질소산화물을 환원시키도록 되어 있고,
    상기 배기 정화 장치는 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 수트로서 포집하고 재생 조건 만족 시 포집된 수트를 태워 재생되는 매연 필터와, 상기 LNT의 탈황과 상기 매연 필터의 재생을 제어하는 제어기를 더 포함하며,
    상기 제어기는 매연 필터의 재생 중 수트 재생양이 설정 재생양 이상이면 LNT의 탈황을 진행하고, LNT의 탈황 중 탈황 중지 조건을 만족하면 LNT 탈황을 중지시키며, 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이고 황 피독량이 설정 황 피독량 미만이면 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비한 후 LNT의 탈황이 가능하면 매연 필터의 재생을 다시 진행하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어기는 매연 필터의 재생을 다시 진행하기 전에 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 미만이면, 탈황과 매연 필터의 재생을 완전히 종료하고 일반 운전 모드로 진입하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이고, 황 피독량이 설정 황 피독량 이상이며, NOx 정화율이 설정 NOx 정화율을 초과하면 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제어기는 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비한 후 LNT의 탈황이 가능하면 매연 필터의 재생을 다시 진행하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는 매연 필터의 재생을 다시 진행하기 전에 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제어기는 이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상이고, 황 피독량이 설정 황 피독량 이상이며, NOx 정화율이 설정 NOx 정화율 이하이면 서비스 센터에 방문을 권고하는 제2경고를 발송하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 장치.
  9. 연소 분위기에 따라 배기 가스에 포함된 질소산화물을 흡장 또는 탈착/환원하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법에 있어서, 상기 린 녹스 트랩은 배기 정화 장치에 구비되고, 상기 배기 정화 장치는 배기 가스에 포함된 입자상 물질을 포집하는 매연 필터를 더 포함하며, 상기 탈황 방법은
    매연 필터를 재생하는 단계;
    매연 필터의 수트 재생양이 설정 재생양 이상인지를 판단하는 단계;
    매연 필터의 수트 재생양이 설정 재생양 이상이면, LNT의 탈황을 진행하는 단계;
    LNT 탈황 중지 조건을 만족하는지 판단하는 단계;
    LNT 탈황 중지 조건을 만족하면, LNT 탈황을 중지하는 단계;
    이전에 탈황이 완료된 시점부터 현재까지 탈황 중지 횟수가 설정값 이상인지를 판단하는 단계;
    탈황 중지 횟수가 설정값 이상이면, 황 피독량이 설정 황 피독량 미만인지를 판단하는 단계; 그리고
    황 피독량이 설정 황 피독량 미만이면, 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비하는 단계;
    를 포함하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비한 후 LNT의 탈황이 가능하면, 매연 필터의 재생을 다시 진행하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    매연 필터의 재생을 다시 진행하기 전에 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송하는 단계를 더 포함하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    탈황 중지 횟수가 설정값 미만이면, 일반 운전 모드에 진입하는 단계를 더 포함하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    황 피독량이 설정 황 피독량 이상이면, NOx 정화율이 설정 NOx 정화율을 초과하는지 판단하는 단계; 그리고
    NOx 정화율이 설정 NOx 정화율을 초과하면, 서비스 센터에 방문을 권하는 제2경고를 발송하는 단계;
    를 더 포함하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    NOx 정화율이 설정 NOx 정화율 이하이면, 매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비하는 단계를 더 포함하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    매연 필터의 재생을 다시 진행할 수 있도록 준비한 후 LNT의 탈황이 가능하면, 매연 필터의 재생을 다시 진행하는 것을 특징으로 하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법.
  16. 제15항에 있어서,
    매연 필터의 재생을 다시 진행하기 전에 탈황 운전을 권고하는 제1경고를 발송하는 단계를 더 포함하는 린 녹스 트랩의 탈황 방법.
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